Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор современного состояния проблемы обеспечения электростатической безопасности пакетов одежды 11
1.1. Сырьевая база одежных материал ов в начале 3-го тысячелетия. 11
1.2. Негативные факторы воздействия электростатического поля на человеческий орган изм . 13
1.3. Практические исследования электризуемости одежных материалов. 20
1.4. Нормирование показателей электростатической безопасности современных одежных материалов. 41
1.5. Методы снижения электризуемости одежды в процессе эксплуатации. 49
1.6. Измерительные приборы, применяемые для контроля электризации текстильных материалов. 55
Глава 2. Исследование сырьевого состава типовых современных пакетов одежды 63
2.1. Анализ основных закономерностей российского рынка предметов одежды и одежных материалов. 63
2.2. Анализ содержания химических волокон в различных слоях пакета одежды . 68
2.3. Типовые пакеты одежды для разного времени года и их сырьевой состав. 78
Глава 3. Разработка экспериментального стенда для исследования электризуемости одежных материалов 82
3.1. Обоснование основных технических требований к разрабатываемому стенду. 82
3.2. Конструкция экспериментального стенда . 87
3.3. Предварительные испытания экспериментального стенда. 90
Глава 4. Экспериментальное исследование влияния различных факторов на электризуемость современных одежных материалов 106
4.1 Постановка задачи эксперимента, подбор образцов текстильных материалов для его проведения. 106
4.2 Проведение эксперимента с целью получения математической модели процесса электризации текстильных материалов . 110
4.3 Анализ математической модели электризации текстильных материалов. Оценка возможности описания электростатических свойств пакета одежды на основании величин удельного поверхностного сопротивления отдельных его слоев. 120
Глава 5. Экспериментальное исследование электризуемости пакетов одежды. Нормирование сырьевого состава пакетов с целью обеспечения их электростатической безопасности 128
5.1 Математические модели процессов элек тризации пакетов одежды. 128
5.2 Зависимость напряженности ЭСП пакета одежды от общего содержания синтетических волокон в нем. Оценка возможности нормирования общего содержания синтетических волокон в пакете с целью обеспечения его электростатической безопасности 141
5.3 Описание электростатических свойств пакета одежды на основании содержания ПЭ волокон в отдельных его слоях. 154
5.4 Анализ результатов экспериментальных исследований и разработка основных практических рекомендаций по сырьевому составу пакетов одежды, безопасных по электростатическим свойствам. 166
Общие выводы. 173
Список литературы. 176
- Негативные факторы воздействия электростатического поля на человеческий орган изм
- Анализ содержания химических волокон в различных слоях пакета одежды
- Конструкция экспериментального стенда
- Проведение эксперимента с целью получения математической модели процесса электризации текстильных материалов
Введение к работе
Актуальность темы. Одежные материалы, представленные на современном рынке товаров народного потребления (ТНП) России, характеризуются значительным (40% и более) содержанием химических волокон, весьма велика также доля чистосинтетических изделий и материалов. Характерной чертой мировой текстильной промышленности является постоянный рост потребления и переработки искусственных и синтетических волокон и нитей [1, 2]. Их физические свойства всесторонне описаны в материаловедческих трудах Г.Н.Кукина, А.Н.Соловьева [3-6], отмечающих повышенную склонность данных волокон к электризации. В связи с бурным развитием в 60-70-х г.г. отрасли химической промышленности по производству химических волокон масштабные исследования электрических свойств искусственных и синтетических текстильных материалов проводились ВНИИПХВ, ВНИ-ИТБХП и другими научными организациями. Результатом данных исследований явилась разработка нормативной базы, регламентирующей электрические свойства текстильных материалов с целью обеспечения электростатической безопасности изготавливаемых из них предметов одежды, т.е. соблюдения того условия, чтобы электростатическое поле (ЭСП), образующееся на одежде в процессе ее эксплуатации, не приносило вреда здоровью потребителя.
Однако прекращение деятельности отраслевых НИИ в начале 90-х гг. (в том числе и ВНИИПХВ) привело к тому, что оценке электростатических свойств предметов одежды и одежных материалов в современной России не уделяется должного внимания. Нормативная база, разработанная в 70-80-х гг., в значительной степени устарела, т.к. была ориентирована в основном на распространенные в те годы химические волокна и наиболее употребимые смески на их основе, однако за истекшие 25 лет структура потребления хи- мических волокон претерпела существенные изменения. Имеют место отдельные противоречия норм электростатической безопасности друг другу. Кроме того, в рамках существующей нормативной базы оценку электростатических свойств одежных материалов приходится осуществлять путем измерения технологических параметров, достоверный и оперативный контроль которых существующими методами затруднителен (например, поверхностного электрического сопротивления текстильных полотен по ГОСТ 19616-74).
В настоящее время актуальность приобретают следующие направления в исследовании электростатических свойств текстильных материалов: разработка методов исследования электростатических показателей одежных материалов - как единичных образцов, так и объединенных в многослойные пакеты; разработка рекомендаций по модернизации нормативной базы электростатической безопасности отдельных предметов и комплектов одежды; разработка предложений по формированию оптимальных смесок для производства полотен, предназначенных для изготовления предметов одежды из различных слоев пакета.
Целью работы явилось: статистическое исследование современных одежных материалов -выявление наиболее распространенных волокон и смесок, используемых при производстве одежды, реализуемой на отечественном рынке ТНП; выявление оптимальных параметров оценки электростатических свойств текстильных полотен; создание лабораторной установки, позволяющей осуществлять испытания по оценке электризуемости одежных материалов; исследование влияния сырьевого состава различных слоев пакета одежды на его электростатические свойства; разработка рекомендаций по оптимальному сырьевому составу текстильных полотен, пригодных для эксплуатации в пакетах одежды при уело-
7 вии обеспечения электростатической безопасности в различных режимах жизнедеятельности человека и для различных периодов года (сезонов).
Методы исследования. При исследовании электростатических свойств современных пакетов одежды в работе применялись теоретические и экспериментальные методы. При теоретическом исследовании электризуемо-сти текстильных материалов использованы методы дифференциального исчисления, графического моделирования; исследование современного состояния рынка ТНП в России проделано с помощью методов математической статистики. Исследования электризуемости одежных материалов и пакетов одежды проводились с помощью методов планирования и оптимизации эксперимента. Достоверность получаемых опытных данных и адекватность математических моделей проверялись методами теории вероятностей и математической статистики. Все экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры Материаловедения РосЗИТЛП и Испытательного центра (ИЦ) «Квалитекс» как на широкоприменяющемся известном оборудовании, так и на разработанной автором экспериментальной установке.
Научная новизна; В работе впервые: на базе данных архива ИЦ «Квалитекс» проведен подробный анализ сырьевого состава текстильных полотен, применяемых в различных слоях современных пакетов одежды; осуществлен системный анализ нормативной базы по электростатическим свойствам текстильных материалов, предметов и пакетов одежды, позволивший выявить несоответствия в нормировании показателей электростатических свойств перечисленных изделий; - создан экспериментальный стенд для исследования электризуемости текстильных полотен, по принципу действия коренным образом отличающийся от ранее использовавшихся в исследованиях лабораторных установок и позволяющий моделировать процесс зарядки пакета одежды в ходе его эксплуатации в комплекте с обувью, изготовленной из различных материалов; с помощью отсеивающего эксперимента выявлены два наиболее значимых параметра одежных материалов (процентная доля вложения синтетических волокон и удельное поверхностное электрическое сопротивление), влияющих на их электризуемость, показана невозможность использования удельного поверхностного сопротивления для характеристики электростатических свойств пакетов одежды; получены математические модели, связывающие напряженность ЭСП пакета одежды с сырьевым составом отдельных его слоев.
Кроме того, за истекшее десятилетие не выполнялись работы по исследованию электростатических свойств текстильных материалов, хотя с конца 60-х и до начала 90-х гг. по данной тематике проводились широкие исследования в областях санитарии и гигиены, текстильного материаловедения, товароведения промышленных товаров и др. В настоящей диссертационной работе впервые предпринята попытка обобщения результатов перечисленных научных исследований и их критического анализа, на основе которого предложены изменения в нормативной базе по электростатической безопасности с целью ее актуализации.
Практическая ценность.
1.Выявленный в ходе статистического исследования наиболее характерный для российского рынка ТНП сырьевой состав одежных материалов по слоям пакетов одежды, носимых в различные периоды года (сезоны), может быть широко использован при проведении процедуры сертификации ТНП.
Разработанный экспериментальный стенд для моделирования процессов электризации текстильных полотен может быть использован в дальнейших исследованиях и при разработке документов, регламентирующих методику исследования электростатических свойств текстильных материалов.
Рассчитанные на основании полученных в диссертационной работе математических моделей области электростатической безопасности, устанав- ливающие предельные процентные доли вложений синтетических волокон по слоям пакетов одежды, могут быть использованы при конфекционирова-нии в процессах моделирования одежды.
4.Предлагаемые в работе характеристики электростатических свойств текстильных материалов могут быть использованы при разработке стандартов, технических условий, санитарных норм и правил, обеспечивающих электростатическую безопасность предметов одежды в процессе их эксплуатации.
Автор защищает: конструкцию экспериментального стенда, позволяющего исследовать процессы электризации отдельных полотен и пакетов одежды в динамических режимах с учетом эффекта разрядки электризуемого материала через тело человека, подошвы обуви и напольное покрытие, имитируемые электрической цепью утечки; результаты статистических исследований сырьевого состава текстильных полотен, используемых для производства предметов одежды, реализуемых на современном российском рынке ТНП; результаты теоретических и экспериментальных исследований факторов, влияющих на электризуемость текстильных полотен и пакетов одежды; математические модели, прогнозирующие показатели электризации пакетов одежды для различных условий эксплуатации в зависимости от процентного содержания синтетических волокон в отдельных слоях пакета; рекомендации по совершенствованию нормативной базы в области обеспечения электростатической безопасности ТНП.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и получили позитивную оценку на : - межвузовской научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности (г.Москва, 2000 г.); межвузовской научно- технической конференции аспирантов «Поиск-2001» (г.Иваново, 2001 г.); межвузовской научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» (г.Москва, 2002 г.); - заседании кафедры Материаловедения ГОУ ВПО РосЗИТЛП (2003 г.). Публикации. По теме исследований опубликовано 6 научных работ (2 статьи, 3 доклада в тезисах и 1 отчет по НИР).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы из 95 наименований. Основная часть диссертации изложена на 184 страницах машинописного текста, в число которых входит 10 рисунков и 28 таблиц.
Негативные факторы воздействия электростатического поля на человеческий орган изм
Общеизвестна высокая электризуемость текстильных материалов, содержащих синтетические волокна. Под электризуемостью понимается способность одежды в процессе эксплуатации генерировать и удерживать в течение достаточно длительного времени электростатическое поле (ЭСП) значительной напряженности. Следствиями ношения электризующегося комплекта одежды являются: 1) приобретение телом человека электрического за ряда от одежды; 2) пребывание человека в ЭСП одежды. Рассмотрим оба явления подробнее.
Вопросами электризации человека в процессе носки одежды из синтетических волокон много занимался ВНИИПХВ. В работе [10] называются 3 основные механизма приобретения человеческим телом электрическ ого заряда:1. Контактная электризация - электрический заряд сообщается телу при соприкосновении с поверхностью наэлектризованного текстильного материала (при этом способе электризации человек теоретически может получить потенциал относительно земли до 5 кВ).2. Трибоэлектризация - происходит при трении между поверхностями тела (проводника) и текстильного материала (заряженного диэлектрика). Данный механизм электризации наиболее сложен с точки зрения его аналитического описания. Потенциал, приобретаемый человеком в результате три-боэлектризации, также оценивается как весьма значительный - до 4 кВ.3. Индуктивная электризация - в ЭСП заряженного материала человек приобретает наведенный заряд, при этом тело электризуется, даже не соприкасаясь с заряженным материалом. Данный вид электризации характерен для эксплуатации одежды из сильно электризующихся материалов, при этом по оценке П.Л.Гефтера [10] возможно приобретение человеком потенциала до 10 кВ относительно земли.
Электризация человеческого тела приводит к аккумуляции в нем энергии, выделяющейся при разряде, происходящем в момент контакта с любой заземленной поверхностью:
С учетом того, что величина Счел составляет по данным различных источников 100 - 600 пФ (в среднем - 350 пФ, или 3,5-10"10Ф) - [11-13], зарядка человека до определенных значений потенциала вызывает следующие ощущения:
Кроме неприятных физических ощущений, энергия разряда может стать причиной пожара и взрыва при работе человека в среде, содержащей легковос-пламенимые паро-, газо- и пылевоздушные смеси. Так, согласно [14], минимальная энергия, необходимая для воспламенения некоторых из упомянутых смесей, составляет:
Если учесть, что энергия разряда описывается выражением (1), безопасное в пожарном отношении значение потенциала тела человека t/безоп можно определить следующим образом [15,16]Заметим, что согласно [10] человек теоретически способен заряжаться до величин, превосходящих рассчитанные выше безопасные значения потенциала.
В работе [17] приводится информация об экспериментальных исследованиях электризации человека при выполнении ручных операций. Испытуемый, стоя на диэлектрической подложке, выполнял произвольные движения рукой с частотой 1,5-2 движения в секунду, при влажности окружающего воздуха 55 - 58 %. Время зарядки до насыщения составляло 2-4 минуты (350 - 400 движений). Значения приобретенного телом потенциала зависели от сырьевого состава одежды испытуемого и были равны:
К сожалению, автор не приводит данных о величине сопротивления диэлектрической подложки и обуви испытуемого (очевидно, они имели невысокие значения - порядка 1010 Ом, о чем говорят относительно небольшие значения потенциала электризации). Тем не менее, описанный опыт подтверждает реальность зарядки одетого в синтетику работника до опасных в пожарном отношении значений электрического потенциала.
В работе [12], посвященной вопросам нейтрализации статического электричества, в качестве основной меры защиты человека от приобретенного электрического заряда рассматривается заземление. Предполагается любой объект считать заземленным, если сопротивление заземления не превышает 106 Ом. Скорость стекания электрического заряда с человека через контур заземления характеризует постоянная времени разряда:где Гразр. - постоянная времени разряда, с; заземл - сопротивление заземления, Ом. При этом потенциал тела изменяется во времени следующим о бразом:где if и U(t) - потенциал соответственно в начале процесса разрядки и спустя время t после начала, В;t - текущее время разрядки, с.
Для взрывоопасных помещений предлагается обеспечивать безопасную величину Грщр, равную 1 мс (при этом время полного стекания разряда t = 3-5 ГРазр, не превосходит 5 мс). С учетом того, что Счел 350 пФ, величина Язаземл, обеспечивающая безопасное значение Гразр, составит:Очевидно, приводимая в [12] величина сопротивления заземления (106 Ом) обеспечивает безопасную скорость разрядки.
Оценим реальную скорость стекания электрических зарядов с человеческого тела. При этом учтем, что цепь утечки (т.е. контур заземления) включает следующие последовательно включенные сопротивления:
Величина R\ в работе [15] оценена как имеющая порядок 105 Ом, значения сопротивлений / - R4 можно оценить по источнику [14], согласно которому:- R2 = 108 - 2-Ю12 Ом (соответственно для хлопка и капрона); -R3 =4109-1,1-Ю12 Ом (для кожи хроматанидного дубления и синтетической кожи, обе - для низа обуви); -R4 = 108 - 1010 Ом (для сухого дерева и линолеума).
Рассчитаем по (3) наименьшее и наибольшее значение постоянной времени разряда (соответствующие наиболее и наименее благоприятному режимам стекания зарядов с тела):rp mw_ s ґр,птт,п mm , r mm\ _ Лразр — t-чел (/4 +Л2 +Я3 +K4 ; —
Расчет показывает, что с учетом (4) при наилучшем стечении обстоятельств (хлопковые носки, кожаная обувь, деревянный пол) время полного разряда человека через цепь утечки составит 6 - 7 с, при неблагоприятных условиях потенциал тела человека уменьшится в 10 раз лишь спустя 40 мин от начала разрядки. Также очевидно, что при работе в пожароопасных условиях необходимо применение специальных средств, обеспечивающих быстрое стекание электрических зарядов с человека.
Другим негативным фактором при эксплуатации одежды из электризующихся материалов является пребывание человека в ЭСП, создаваемом предметами одежды в процессе носки. Исследованиями А.А.Минх, Ф.Г.Портнова, Б.Н.Медведева в 60-х гг. установлено влияние статического электричества на обмен веществ, работу сердечно-сосудистой системы, общее самочувствие человека (раздражительность, утомляемость). Неудиви тельно, что в дальнейшем медицинские аспекты этой проблемы весьма подробно исследовались - на всесоюзных научных конференциях, посвященных защите от вредного воздействия статического электричества, регулярно проводившихся в 70-80-е гг. на базе ВНИИТБХП (г.Северодонецк), постоянно работала секция "Воздействие статического электричества на организм".
Анализ содержания химических волокон в различных слоях пакета одежды
Традиционно специалистами в области санитарии и гигиены выделяются 3 самостоятельных слоя пакета одежды [37, 57, 69, 70] - нательное белье, далее - сорочки и блузки совместно с пиджаками и жакетами, а также с трикотажными изделиями (свитерами, джемперами) и, наконец, верхняя одежда - пальто, куртки, плащи и т.д. На наш взгляд, при исследовании антиэлектростатических свойств одежных материалов целесообразно рассматривать не три, а четыре слоя пакета (предварительные соображения по этому поводу содержатся в параграфе 2.1.). Это связано, прежде всего, с тем, что на величину напряженности ЭСП пакета большое влияние оказывает химический состав каждой контактирующей между собой пары изделий, входящих в состав пакета [28, 31, 35]. При традиционной (трехслойной) схеме рассмотрения пакета одежды во 2-м слое могут оказаться 2 (сорочка и свитер) или даже 3 (блузка, джемпер, жакет) самостоятельных изделия. Полноценное исследование электризуемости пакета в целом невозможно без учета частных взаимодействий между предметами 2-го слоя. Кроме того, каждому слою предлагаемого четы-рехслойного пакета присуши характерные особенности, не встречающиеся в других слоях:- первый слой (нательное белье и чулочно-носочные изделия) характеризуются непосредственным контактом всей площади изделия с кожей человека, трибоэлектризация слоя происходит при трении о поверхность тела и об изделия 2-го слоя;- второй слой (рубашки, сорочки, блузки, брюки, юбки, платье, сарафаны) частично контактируют с телом человека - на участках, не закрываемых первым слоем, электризация 2-го слоя провоцируется трением о кожу человека, а также о предметы 1-го и 3-го слоев пакета (ситуация, когда 3-й слой отсутствует и изделие 2-го слоя испытывает на внешней границе трение само о себя, довольно редка и характерна для теплого периода года);- третий слой (пиджаки, жакеты, ветровки, куртки джинсовые, свитера, джемперы и т.д.) не имеет контакта с кожей человека и электризуется трением о 2-й и 4-й слои пакета (при отсутствии 4-го слоя внешняя граница изделий 3-го слоя подвергается весьма слабой трибоэлектризации, характерной для трения однородных материалов [31,35]);- четвертый слой пакета - верхняя одежда (пальто, куртки, плащи и т.д.) характеризуется наличием подкладки (не обязательно присутствующей в изделиях 3-го слоя - джинсовых куртках и пр.) и, как правило, утепляющего материала. В основном, электризация этого внешнего слоя происходит за счет контакта с предыдущим слоем и из-за частных взаимодействий подкладки, утеплителя и материала верха.
С учетом сделанных замечаний изделия, рассмотренные в параграфе 2.1, были распределены по слоям пакета одежды. По каждой группе изделий вычислялись процентные доли для каждого вида волокон, вхоящих в состав изделия: где ЯД групп - доля волокон / -го вида по группе изделий, %;77Д - доля волокон /-го вида в количестве А/, изделий одного вида, входящих в группу, %;т - число партий однородных изделий объемом А/,, образующих группу изделий (/ = 1,..., т). Очевидно, по группе изделий параметр І7Д групп должен подчиняться условию нормировки:где п - общее число видов волокон, встречающихся в составе смесок по исследуемой группе изделий.
Следует отметить, что из рассмотрения была исключена группа ночных сорочек, пижам и пеньюаров, поскольку данные изделия (весьма удовлетворительные по антиэлектростатическим свойствам благодаря благоприятному сырьевому составу - см. табл. 11) не предназначены для эксплуатации в составе пакета одежды. Кроме того, отдельно исследовался сырьевой состав подкладочных (по третьему и четвертому слоям пакета) и утеплительных (четвертый слой) материалов.
Для каждого слоя пакета рассчитывались процентные доли входящих в него волокон, при этом учитывалась масса изделий, образующих группы в составе слоя. Масса изделий по группам определялась эмпирическим путем, с учетом геометрических размеров изделия и плотности материалов, образующих его. Вычисления производились по формуле:аналогии с (13) верно соотношение:
При расчетах по (14) сырьевой состав подкладочных и утеплительных материалов учитывался только для изделий 4-го слоя пакета, по 2-му и 3-му слоям, где подкладки имеют лишь часть изделий (юбки, брюки, пиджаки, жакеты) и притом не всегда, анализировался лишь материал верха изделия. Результаты вычислений, представленные в таблице 12 [71], позволяют констатировать следующее.1. Изделия 1-го слоя содержат в среднем 28,7% синтетических волокон, что довольно значительно отличается от предварительной оценки (около 15%), сделанной в параграфе 2.1. Это объясняется тем, что группа изделий пижамного ассортимента, изготавливаемых в основном из натуральных материалов, не входит в состав пакета. По 2 - 4-му слоям пакета предварительная оценка хорошо согласуется с уточненной.2. Из натуральных волокон в составе предметов одежды наиболее часто присутствуют хлопок и шерсть (во всех 4-х слоях пакета), в небольших количествах представлены лен (во 2-м и 3-м слоях - в основном в пиджаках, брюках и юбках - благодаря своей высокой стойкости к истиранию), натуральный шелк (во 2-ом слое - как правило, в женских платьях - высокоэстетичных и дорогих изделиях). Характерно, что доля хлопка в изделиях уменьшается при переходе от 1-го слоя (55%) к последующим (15,8% в 4-ом слое), а шерсти, наоборот, возрастает (с 2,3% в 1-ом слое до 33,3% в 4-ом слое).3. Вискоза как представитель искусственных волокон встречается во все слоях пакета, причем в наибольшем количестве (18-22%) - в изделиях 2-го и особенно 1-го слоев (сорочки, нательное белье) - благодаря своей высокой гидрофильности. Ацетат представлен очень незначительно (ме нее 1%) лишь в одном виде изделий - женских блузках - видимо, из-за отмечавшихся выше [31, 57] плохих антиэлектростатических свойств.4. Из синтетических волокон наиболее часто применяется ПЭ (его доля меньше 20% только в 1-м слое пакета, а во 2-3-м слоях доходит до 40-50%). Подкладочные материалы на 90% выполняются из ПЭ (причем не только в 4-м, но и во 2-3-м слоях). Существенно реже используются ПА (в значительных количествах - только в чулочно-носочных изделиях и плащах) и ПАН. Утеплителем зимних курток и комбинезонов является, как правило, синтепон.5. Основу сырьевой базы современных одежных материалов составляют (как это уже отмечалось в параграфе 1.1) хлопок и ПЭ - в предметах одежды 1 - 3-го слоев пакета их суммарная процентная доля составляет 60 - 73 %, в материалах верха изделий 4-го слоя - почти 45 %.
Для более подробного описания присутствия различных волокон в составе одежных материалов были проанализированы смески, образующие изделия 1 - 2-го слоев пакета, соприкасающихся в процессе эксплуатации с поверхностью тела человека. Данные по составу смесок представлены в таблице 13. Не претендуя на полноценный количественный анализ (который должен учитывать процентное соотношение волокон в каждой смеске), на основании табличных данных можно утверждать:
Конструкция экспериментального стенда
Исходя из сформулированных выше технических требований на кафедре Материаловедения ГОУ ВПО РосЗИТЛП был разработан экспериментальный стенд [74, 75], конструкция которого представлена на рис. 3. Испытуемый образец текстильного материала 1 размещается на измерительной площадке 2, представляющей собой стальную пластину толщиной 1 мм и размерами 20x40 см . Измерительная площадка размещается над плоскостью базирования 3 на фторопластовых опорах 4 высотой 10 см, при этом сопротивлениеизоляции площадки имеет величину порядка 10 Ом. Образец 1 удерживается на площадке 2 четырьмя крепежами 5, позволяющими текстильному материалу испытывать незначительные (1-2 см) смещения, образовывать складки и др. На расстоянии 10 мм под плоскостью измерительной площадки 2 размещен датчик 6.1 измерителя напряженности ЭСП - прибора ИНЭП-1. Показывающий блок прибора 6.3 установлен на плоскости базирования 3 и соединен с датчиком 6.1 экранированным проводом 6.2. Металлическая измерительная площадка 2 не является препятствием для ЭСП электризованного образца 1 и напряженность ЭСП без искажений воспринимается датчиком 6.1.
Трибоэлектризация исследуемого материала 1 обеспечивается возвратно-поступательным движением соприкасающегося с ним контртела 7, приводом которого служат электродвигатель с редуктором 10 и кривошипно-шатунный механизм 9. Контртело 7 прижимается к образцу 1, лежащему на измерительной площадке 2, с помощью груза 8, масса которого может изменяться в пределах 0,5 - 1,5 кг. Размеры измерительной площадки 2 позволяют контртелу 7 в крайних точках траектории выходить из соприкосновения с электризуемым образцом 1 для имитации реальных условий эксплуатации предметов одежды (разрыв контакта взаимодействующих трением поверхностей при ходьбе и др.). Во избежание разрядки образца 1 в процессе трибо-электризации через электрическую цепь, включающую контртело 7, криво-шипно-шатунный механизм 9 и электродвигатель 10, приводной узел стенда изолирован от земли фторопластовыми опорами 4 аналогично измерительной площадке 2.
Измерительная площадка 2 соединена с землей цепью утечки 11, состоящей из переключателя 11.1 и батареи сопротивлений 11.2. Для быстрой разрядки наэлектризованного образца служит массивная стальная пластина 12 (размерами 20x10x2 см3), соединенная медным проводом 13 с землей. При необходимости пластина 12 кладется сверху на образец 1 и стекание зарядов с него происходит быстрее, чем за 1 сек.
Основные технические характеристики экспериментального стенда: - размеры измерительной площадки 200x400 мм ; - размеры испытуемого образца текстильного материала 200x100 мм ; - размеры контртела 70x50x30 мм ; - усилие прижатия контртела к образцу 10 - 20 Н; - максимальное перемещение контртела 300 мм; - длина траектории контакта контртела с образцом 200 мм; - частота возвратно-поступательных движений контртела 30 циклов/мин; - сопротивление изоляции измерительной площадки при измерении 1 7 максимального значения напряженности ЭСП образца, не меньше -10 Ом; - значения сопротивления цепи утечки при моделировании электриза ции образца в условиях эксплуатации, 109 Ом, 1010 Ом, 10й Ом, 1013 Ом; - тип прибора для измерения напряженности ЭСП образца (характеристики прибора см. в параграфе 1.6) ИНЭП-1. Основными задачами предварительных испытаний экспериментального стенда являлись: 1) подбор сырьевого состава контртела, наиболее точно воссоздающего условия электризации образцов при их трении о человеческое тело; 2)оценка воспроизводимости экспериментальных данных - для одного и того же образца после одного и того же числа циклов электризации измеренное значение параметра Е должно повторяться из опыта в опыт, разброс по казаний при этом не должен превосходить предельную приведенную погрешность прибора, определяемую из его паспортных данных [62]; 3)проверка влияния на показания измерительного прибора размещения его датчика над или под измерительной площадкой; 4)оценка влияния на электризуемость образцов величины сопротивления утечки измерительной площадки. При выборе материала контртела за базу сравнения принималась напряженность ЭСП образца, электризуемого движениями руки человека. При этом экспериментатор, одетый только в хлопковое белье, неподвижно стоял на фторопластовой подложке, изолированный от пола сопротивлением порядка 1016 Ом и совершал рукой движения по образцу при слабом нажатии с частотой 1 движение в секунду. Минимум одежды (к тому же слабоэлектризуемой) и неподвижность экспериментатора относительно высокоомного изолятора исключали дополнительную электризацию тела человека в процессе проведения опыта, в противном случае тело могло бы приобрести заряд трибоэлек-тризации при трении о слои пакета одежды и об изолятор и передать его образцу путем контактной электризации, чистота эксперимента при этом была бы нарушена. Фиксировались предельно достижимая напряженность ЭСП образца при бесконечном сопротивлении утечки измерительной площадки и число движений рукой, обеспечивающее насыщение по параметру Е. Так, для образца ПЭ ткани режим насыщения наступал после 4-5 движений рукой, напряженность ЭСП при этом достигала значений 240 - 265 кВ/м (среднее значение - 252,5 кВ/м). Указанные результаты сравнивались с данными, полученными при электризации того же образца с помощью различных контр-тел. В качестве материала контртела использовались отшлифованное дерево, суровые вискозная и хлопковая ткани, а также натуральная кожа, прошедшая процессы мездрения и дубления, но неокрашенная, при этом усилие прижатия контртела к образцу варьировалось в пределах 5 - 20 Н. В результате опытов было установлено, что наилучшим образом условия электризации образца о человеческое тело воспроизводит деревянное контртело при усилии прижатия 10 Н. В оговоренных условиях образец ПЭ ткани после 4-5 актов электризации трением (т.е. за 4 - 5 с) приобретал в насыщении ЭСП напряженностью 245 - 275 кВ/м (среднее значение 260 кВ/м). Разница средних значений параметра Е для режимов автоматической (с помощью контртела) и мануальной электризации составляет в относительных единицах 2,9%, наибольшая же разница значений (вариация) не превосходит 13,8%. С учетом того, что паспортная погрешность прибора ИНЭП-1 находится в пределах ±15% (см. параграф 1.6), выбор дерева в качестве материала контртела представляется допустимым.
При оценке повторяемости опытных данных электризации на стенде подвергались 2 образца, содержащих соответственно 67% ПЭ и 33% хлопка и 50% ПЭ и 50% хлопка. Для каждого образца было повторено 20 опытов, время электризации в каждом опыте составляло 6 секунд (т.е. производилось по 3 цикла натирания). Для первого образца (с более высоким содержанием ПЭ) измеренные значения напряженности ЭСП составили 225 - 255 кВ/м, среднее значение - 240 кВ/м, максимальное отклонение измеренных значений от среднего - 15 кВ/м или 6,3%, для второго образца - соответственно 160 -180 кВ/м, среднее - 170 кВ/м, максимальное отклонение - 10 кВ/м или 5,9%. Очевидно, полученные отклонения могут быть отнесены на счет инструментальной погрешности измерения, т.е. результаты экспериментов на разработанном стенде характеризуются хорошей повторяемостью.
Конструкция экспериментального стенда (см. рис. 3) предполагает размещение датчика прибора ИНЭП-1 под измерительной площадкой, т.к. над ней совершает возвратно-поступательные движения контртело. Вместе с тем, паспорт прибора ИНЭП-1 [62] рекомендует рабочее положение датчика - из-мерительным электродом вниз (см. параграф 1.6.), т.е. на разработанном стенде датчик повернут относительно рекомендованного рабочего положения на 180. Кроме того, наэлектризованный образец и датчик разделяет стальная
Проведение эксперимента с целью получения математической модели процесса электризации текстильных материалов
Математическая модель (уравнение регрессии) была получена путем проведения ПФЭ по методике, описанной в [82,84]. При этом факторное пространство было разделено на две области - с высоким и низким содержанием ПЭ волокон в исследуемых образцах, что объясняется необходимостью проверить, не влияет ли сырьевой состав образца на вид искомой функции отклика. Иными словами, требовалось установить, не меняется ли принципиально характер зависимости (33) при переходе из одной области ПФЭ в другую (т.е. не возрастает ли значительно - на порядок - величина коэффициентов b\2 , b\z , b 23 , Ь 123 и т.д.). Для каждой области было отобрано по 8 образцов (состав - хлопок и ПЭ), обеспечивающих реализацию всех возможных неповторяющихся комбинаций трех входных факторов на двух уровнях варьирования. Информация о входных факторах по двум областям эксперимента представлена в таблице 18.
Матрица планирования ПФЭ и измеренные значения функции отклика у (напряженность ЭСП образцов) в первой и во второй областях факторного пространства (соответственноу\ луг) представлены в таблице 19. Всего проделано 16 опытов электризации образцов - по 8 для каждой области.
В соответствии с методикой [82] расчет коэффициентов уравнения ре-герессии (33) произведен по формуламгде п - число неповторяющихся опытов {п = 8 для каждой области ПФЭ)Для первой области факторного пространства расчетные значения коэффициентов составили: В связи с безразмерностью факторов Х\, Хг, Хз коэффициенты уравнения регрессии имеют размерность функции отклика, т.е. кВ/м.
Проверка значимости каждого коэффициента осуществлялись по критерию Стьюдента [82,85]. Для этого вблизи центра плана (х = 0, т.е. х\ = 75%, Х2 = 4-10 13 Ом, х з = 185 Г/ДІ2) был поставлен ряд дополнительных независимых опытов по электризации образца из 3-й группы ( таблица 17) с параметрами:
Произведено 5 опытов, при этом были зарегистрированы следующие значения напряженности ЭСП: уп = 215 кВ/м, уц = 214 кВ/м, _у13 = 216 кВ/м; уи = 205 кВ/м, i5 = 210 кВ/м. 2 Коэффициенты Ь\2, Ъ1Ъ, Ьцъ также оказываются незначимыми. Ис ключение незначимых коэффициентов из уравнения регрессии не сказывает ся на прочих коэффициентах [ 82]. После исключения незначимых коэффициентов искомое уравнение (33) принимает вид для первой области ПФЭ:
Проверка адекватности полученного уравнения (37) производилась по критерию Фишера, в соответствии с которым для признания математического описания адекватным необходимо выполнение условия [82]:где FKp (п -/;/)- значение критерия Фишера;п - число точек факторного пространства (т.е. число неповторяющихся опытов);/ - число значимых коэффициентов в уравнении регрессии;/- число степеней свободы (/"= т - 1);т -число повторяющихся опытов, поставленных при вычислении дисперсии воспроизводимости воспр.; - дисперсия неадекватности;точках факторного пространства по данным неповторяющихся опытов и полученные путем расчета по уравнению регрессии.
Для определения дисперсии неадекватности были проведены расчеты значений функции отклика в 8 точках факторного пространства по уравнению регрессии (37): Табличное значение критерия Фишера для уровня значимости р = 0,05, параметра п-1 = 4 и числа степеней свободы /= 4 составляет 23,15 [84], т.е. полученное уравнение регрессии (37) адекватно описывает зависимость напряженности ЭСП образца от его химического состава, удельного поверхностного сопротивления и поверхностной плотности.
Аналогичным образом для второй области факторного пространства были вычислены по (34) значения коэффициентов уравнения регрессии (расчеты не приводятся):
Величина дисперсии воспроизводимости опытов составила 5,1 кВ/м, дисперсия (35) коэффициентов уравнения регрессии -1,8 кВ/м, незначимыми на основании критерия Стьюдента признаны коэффициенты Ьп, Ъ із, Ъ 2з, 6из.. Окончательный вид уравнения регрессии для второй области факторного пространства:Уравнение (39) признано значимым на основании критерия Фишера, при этом дисперсия неадекватности составила 2,7 кВ/м .
Оценка точности описания процесса электризации текстильных материалов математическими моделями (37), (39) проводилась путем постановки опытов на контрольных образцах. При этом определялась разница между теоретическими (рассчитанными по уравнению регрессии) и экспериментальными (зарегистрированными на стенде) значениями напряженности ЭСП образцов. Для первой области факторного пространства (с высоким содержанием ПЭ волокон в образцах) были проделаны опыты на 6 образцах из групп 2-4 таблицы 17, не задействовавшихся в эксперименте. Данные испытаний, представленные в таблице 20, свидетельствуют о том, что погрешность определения параметра Е образца по уравнению (37) не превышает 7 -8% . Такая точность представляется вполне удовлетворительной с учетом того, что задачей данного этапа исследования является выявление фактора, наиболее сильно влияющего на электризуемость образца, а не исчерпывающее математическое описание процесса электризации. Аналогичные результаты были получены при постановке опытов на контрольных образцах с низким (менее 50%) содержанием ПЭ волокон, погрешность вычисления напряженности ЭСП образцов по (39) находилась в пределах ±(5 - 7)%.
