Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Основные функции одежды 22
1.1 Общая характеристика функций одежды 22
1.2 Место комфортности в общем комплексе свойств материалов одежды 25
1.3 Аспекты комфортности одежды. Удобство в носке, психологический и тепловой комфорт 31
1.4 Характеристики оптимального пододежного микроклимата 53
1.5 Вентилируемость одежды 55
1.6 Заключение 64
ГЛАВА 2 Разработка теоретической модели воздухопроницаемости тканей 67
2.1 Общие представления о воздухопроницаемости текстильных материалов 67
2.2 Зависимость воздухопроницаемости материалов от показателей их строения 71
2.3 Сравнительный анализ приборов для определения воздухопроницаемости текстильных материалов 84
2.4 Процесс течения воздуха в текстильных материалах 102
2.5 Теоретическая модель воздухопроницаемости ткани 117
2.6 Заключение 129
ГЛАВА 3 Экспериментальная оценка разработанной модели 132
3.1 Математическая обработка результатов экспериментов 133
3.2 Определение толщины материалов и их сжимаемости 136
3.3 Сравнительный анализ методов оценки сквозной пористости материалов 150
3.4 Сопоставительный анализ теоретических (расчетных) и экспериментальных значений воздухопроницаемости материалов 174
3.5 Заключение 179
ГЛАВА 4 Научное обоснование и разработка экспериментальных методов исследования воздухопроницаемости материалов 181
4.1 Метод определения воздухопроницаемости в условиях влагопереноса 181
4.1.1 Разработка прибора для определения воздухопроницаемости в условиях влагопереноса 181
4.1.2 Оценка влияния свойств увлажненного воздуха на процесс воздухопроницаемости 190
4.1.3 Оценка влажности материалов 196
4.1.4 Методика исследования влияния процесса влагопереноса на воздухопроницаемость материалов 197
4.1.5 Выбор величины перепада давления при проведении исследований 201
4.1.6 Исследование воздухопроницаемости тканей в условиях влагопереноса 211
4.2 Исследование воздухопроницаемости шовных соединений 228
4.3 Заключение 239
ГЛАВА 5 Разработка экспериментального метода и исследование воздухопроницаемости трикотажа в деформированном состоянии 242
5.1 Деформации растяжения материалов в одежде 242
5.2 Разработка устройства для обеспечения оценки проницаемости материалов в деформированном состоянии 244
5.3 Исследование деформации полотен при помощи разработанного устройства 247
5.4 Исследование зависимости воздухопроницаемости полотен от их многоосного растяжения 258
5.5 Заключение 269
ГЛАВА 6 Разработка эмпирической модели воздухопроницаемости нетканых материалов 271
6.1 Модель воздухопроницаемости нетканых материалов по В. Котари и А. Ньютону 272
6.2 Зависимость воздухопроницаемости нетканых материалов от заполнения волокнами 285
6.3 Разработка модели воздухопроницаемости нетканых материалов 288
6.4 Оценка влияния связующего вещества на воздухопроницаемость клееных нетканых материалов 315
6.5 Заключение 319
Общие выводы по работе 322
Список использованных источников 325
Приложения 341
- Аспекты комфортности одежды. Удобство в носке, психологический и тепловой комфорт
- Сравнительный анализ приборов для определения воздухопроницаемости текстильных материалов
- Сопоставительный анализ теоретических (расчетных) и экспериментальных значений воздухопроницаемости материалов
- Методика исследования влияния процесса влагопереноса на воздухопроницаемость материалов
Введение к работе
К числу свойств текстильных материалов, применяемых для изготовления одежды, которыми в значительной степени определяется ее качество, относятся так называемые физико-гигиенические свойства, относящиеся по классификации, принятой в материаловедении текстильной и легкой промышленности к физическим свойствам. Благодаря этим свойствам обеспечивается нормальное протекание процессов жизнедеятельности, и в частности теплорегуляция организма человека. При оптимальных значениях этих свойств создается ощущение комфорта, которое возможно при поддержании в организме человека определенного соотношения процессов теплообразования и теплоотдачи [ 1 ]. Кроме функции обеспечения нормального режима терморегулирования гигиеничность материалов одежды связана с необходимостью эвакуации продуктов жизнедеятельности организма человека из пододежного пространства [ 2 ]. Продукты метаболизма выделяются как через дыхательные пути, так и с поверхности кожи в окружающее пространство в газообразном и капельножидком состоянии [ 3 ]. Эти продукты могут оказывать нежелательное, а некоторые также и токсикологическое воздействие на организм, могут быть осмотически активными, химически «агрессивными» и вступать во взаимодействие с материалами одежды [ 4 ]. Следствием этого может быть изменение свойств материалов, оказание раздражающего эффекта на кожные покровы человека. Гигиенические требования к материалам возрастают при их использовании в детских изделиях [ 5, 6 ], в одежде специального назначения, эксплуатируемой, например, в условиях повышенных или пониженных температур, возможного воздействия химически агрессивных веществ или механических воздействий, при эксплуатации одежды в малых замкнутых объемах в условиях вынужденной изоляции от внешней среды (одежда подводников, космонавтов) [ 7 ], при экстремальных физических нагрузках [ 8 ] (работа при высоких нагрузках, спорт высших достижений) и прочее. Таким образом, способность материалов быть проницаемыми для веществ, находящихся в газообразном и жидком состоянии, является одной из важнейших их функций в одежде.
Начало изучения свойств материалов, обеспечивающих комфортность одежды, относится к концу XIX века, когда первые экспериментальные методы начали внедряться в практику исследований в России А.П. Доброславиным - основателем кафедры гигиены Санкт-Петербургской Военно-Медицинской академии, за рубежом - Рубнером, Бартоном, Эдхолмом. С тех пор и до настоящего времени актуальность изучения этих свойств не утрачивается, а возрастает, что связано с развитием технологий создания новых видов волокон, нитей, полотен из них, ассортимент которых постоянно расширяется и меняется, также изменяются и появляются новые условия эксплуатации.
Вместе с тем, изучение свойств текстильных материалов, продолжает базироваться на прежнем методологическом фундаменте. В частности, в основе изучения многих свойств текстиля продолжают доминировать экспериментальные исследования, проводимые главным образом в стандартных условиях, позволяющие получать модели, имеющие ограниченные условиями проводимых экспериментов и выбором объектов исследований области допустимых значений. Такой подход не позволяет осуществлять прогнозирование свойств еще не изготовленных материалов, а в связи с тем, что базируется на изучении уже готовой продукции, на разработку и создание которой вложены определенные интеллектуальные и материальные ресурсы, может оказываться и экономически невыгодным.
Кроме того, проведение испытаний материалов в стандартных условиях, которые часто существенно отличаются от реальных эксплуатационных, с учетом того, что многие текстильные материалы весьма чувствительны к изменениям условий внешней среды, может приводить к результатам, не соответствующим проявлению свойств в реальных условиях, то есть недостоверным.
Предметом исследований данной диссертационной работы является одно из свойств текстильных материалов, обеспечивающих их комфортность - воздухопроницаемость. Это свойство, кроме того для материалов и изделий определенного назначения (фильтры, парусные, парашютные и т.п.) может являться главным, определяющим их качество.
Процессы проницаемости пористых сред впервые системно были изучены Д Арси, именем которого назван закон, линейно описывающий зависимость проницаемости от величины перепада давления (напора). Первые исследования воздухопроницаемости тканей принадлежат Рубнеру, который базировал свои исследования на положении закона Д Арси. Дальнейшие исследования Рекка, Флоринского, Форхгеймера, Ханжонкова, Зеленко, которые главным образом были направлены на изучение зависимости скорости прохождения жидкости или газа через пористый материал, показали, что при возрастании скорости фильтрации может иметь место отклонение от закона Д Арси и характер зависимости скорости потока от напора перестает быть линейным. Это явление нашло отражение в уравнении, известном в текстильном материаловедении под названием «уравнение Рахматуллина».
Наиболее полным исследованием воздухопроницаемости тканей являются работы Н.А. Архангельского, главными результатами которых являются:
- введение в качестве характеристик этого свойства коэффициента воздухопроницаемости при определенной заданной величине перепада давления и технического коэффициента воздухопроницаемости при перепаде давления 1 мм вод ст.;
- разработка классификации текстильных материалов по их воздухопроницаемости, включавшей широкий перечень материалов от самых проницаемых (марли, сетки) до самых плотных (драпы, сукна);
- введение степенной функции, описывающей зависимость скорости потока воздуха через ткань от перепада давления;
- изучение влияния характеристик структуры, в частности сквозной пористости, на воздухопроницаемость хлопчатобумажных тонких тканей полотняного и саржевого переплетений.
Впоследствии рядом исследователей изучению влияния различных факторов на это свойство текстильных материалов было уделено значительное внимание - изучение влияния на воздухопроницаемость плотности материалов (Шпершнейдер), характера распределения волокон в материале (Клейтон), вида переплетения ткани (Розанова, Скворцова), крутки нитей (Кесвелл), поверхностной плотности нетканых материалов (Котари и Ньютон), заполнения нетканых материалов волокном (Субраманиам с соавторами), плотности материала и диаметра волокон (Херл и Мередит), геометрических характеристик волокон (Лэмб, Констанца, Миллер). Два последних исследования имели затем практическую реализацию, заключавшуюся в создании прибора для оценки тонины волокон «Micronair», который в модифицированном виде является частью комплексной лаборатории «Spinlab» для оценки свойств хлопковых волокон.
Исследования воздухопроницаемости простейших моделей тканей -сеток из мононитей (Горбач, Кондрацкий) привели к моделям, описывающим для этих объектов зависимость скорости потока от перепада давления, в которых учитывались характеристики пористости сетки, в том числе геометрические размеры пор. В ряде работ отмечалось значение влияния на воздухопроницаемость материалов их влажности, что связано с изменением внешних климатических условий.
Таким образом, до последнего времени результаты проведенных работ сводились к констатации фактов зависимости воздухопроницаемости тканей от тех или иных характеристик их строения, но не обеспечивали реальных возможностей проведения расчетов воздухопроницаемости и прогнозирования этого свойства для вновь проектируемых текстильных материалов.
Актуальность темы
К числу свойств текстильных материалов для одежды, которыми в значительной степени определяется ее качество, относятся свойства, благодаря которым обеспечивается теплорегуляция организма человека и возможность эвакуации продуктов его жизнедеятельности из пододежного пространства. Таким образом, способность материалов быть проницаемыми является одной из важнейших их функций в одежде. Начало изучения свойств, обеспечивающих комфортность одежды, относится к концу XIX в., когда в этой области исследований стали внедряться экспериментальные методы в России - Доброславиным, за рубежом - Рубнером, Бартоном, Эдхолмом. Актуальность изучения этих свойств в настоящее время возрастает, что связано с развитием технологий создания новых видов материалов, расширением их ассортимента, появлением новых условий их эксплуатации.
К числу важнейших свойств материалов, обеспечивающих их комфортность, относится воздухопроницаемость. Кроме того для материалов определенного назначения (фильтровальные, парусные, парашютные) это свойство является главным, определяющим их качество.
Процессы проницаемости пористых сред впервые были изучены Д Арси, который зависимость проницаемости от напора представил линейной функцией. На законе Д Арси базировались первые исследования воздухопроницаемости тканей, проводившиеся Рубнером. Дальнейшие исследования Рекка, Флоринского, Форхгеймера, Ханжонкова, Зеленко были направлены на изучение скорости прохождения жидкости/газа через пористые материалы и показали, что с возрастанием скорости фильтрации ее зависимость от напора перестает быть линейной. В текстильном материаловедении это явление отражено в уравнении Рахматуллина. Наиболее полно исследования • воздухопроницаемости тканей представлены в работах Архангельского, который ввел применяемую в настоящее время характеристику «коэффициент воздухопроницаемости», разработал классификацию текстильных материалов по их воздухопроницаемости, изучил влияние строения, в частности сквозной пористости на воздухопроницаемость тонких тканей полотняного и саржевого переплетений. Изучению влияния различных характеристик строения на воздухопроницаемость материалов впоследствии были посвящены работы Шпершнейдера, Клейтона, Кесвелла, Херла и Меридита, Лэмба, Констанцы и Миллера, Горбача, Кондрацкого, Котари и А. Ньютона, Шустова. Результаты проведенных исследований сводились, главным образом, к констатации фактов зависимости воздухопроницаемости тканей от тех или иных характеристик их строения, но не обеспечивали реальных возможностей проведения расчетов воздухопроницаемости и прогнозирования этого свойства для вновь проектируемых материалов.
Применявшиеся методы оценки воздухопроницаемости предусматривали проведение испытаний в большинстве случаев в стандартных климатических условиях, что часто не соответствует реальным эксплуатационным условиям и, как следствие, может давать недостоверные результаты. До настоящего времени изучение свойств материалов, в том числе и воздухопроницаемости, продолжает базироваться главным образом на прежнем методологическом фундаменте. Экспериментальные исследования проводятся, как правило, в стандартных условиях, которыми не отражаются реальные условия эксплуатации материалов и возможные изменения их свойств. Получаемые таким образом результаты достоверны для стандартных условий, а выводы на их основе - для исследованных объектов. Существующий подход к проведению исследований, базирующихся на изучении уже изготовленных материалов, на разработку и создание которых затрачены определенные интеллектуальные и материальные ресурсы, оказывается также и экономически невыгодным.
В этой связи актуальными являются
- разработка теоретических и экспериментальных моделей, позволяющих осуществить расчет и прогнозирование воздухопроницаемости для проектирования и изготовления материалов с заданной воздухопроницаемостью;
- создание методов оценки воздухопроницаемости материалов в условиях приближенных к эксплуатационным, позволяющих повысить достоверность получаемых результатов.
Актуальность данной диссертационной работы подтверждается также тем, что ее разделы выполнялись в соответствии с заданиями на проведение научно-исследовательских работ по - комплексно-координационному плану НИР Минлегпрома СССР и Минвуза СССР по теме «Изучение строения и свойств текстильных материалов» (1981 - 1985 гг.);
- координационному плану НИР по проблемам охраны труда в ВУЗах на 1981 - 1985 гг.;
- целевой комплексной программе ОЦ 018 Государственного комитета по науке и технике;
- комплексно-координационному плану основных работ по текстильному материаловедению в научно-исследовательских организациях Минлегпрома и ВУЗах МинВУЗа на 1986 - 1990 гг.;
- научно-исследовательской программе ГКНТ и Госкомобразования «Текстиль. Товары народного потребления», раздел «Изучение новых видов химических волокон, текстильных материалов и разработка теоретических принципов оценки их свойств, исходя из условий переработки и эксплуатации» (1996 - 2000 гг.),
а также в соответствии с тематическими планами важнейших НИР и ОКР ЛИТЛП и СПГУТД по следующим темам:
- «Разработка методов и изучение физических и механических свойств текстильных материалов при действии различных сред и в различных условиях» (1986 - 1990 гг.);
- «Исследование, разработка и экспериментальная апробация моделей прогнозирования проницаемости текстильных материалов различных структур» (1995 - 1996 гг.);
- «Анализ существующих и разработка комплексного метода оценки комфортности одежных материалов на основе применения современных аналитических и инструментальных методов оценки их свойств (1997 — 1998 гг.);
- «Анализ и теоретическое обоснование нового метода прогнозирования комфортных свойств материалов для одежды различного назначения в соответствии с условиями эксплуатации» (1999 - 2000).
Цель работы
Целью данной диссертационной работы являлось развитие научных основ оценки и прогнозирования воздухопроницаемости текстильных материалов различных способов производства, создание методов и средств изучения воздухопроницаемости материалов в условиях, приближенных к условиям их эксплуатации.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- определить значимость воздухопроницаемости в общем комплексе свойств материалов одежды, определяющих их качество;
- провести анализ современных методов и приборов для оценки воздухопроницаемости с целью выбора обеспечивающих наиболее достоверные результаты;
- обосновать и выбрать объекты исследований;
- исследовать характер процесса течения воздуха в текстильных материалах при перепадах давления, соответствующих условиям их эксплуатации в одежде;
- изучить влияние характеристик структуры материалов на их воздухопроницаемость, выявить наиболее значимые;
- на основе физических представлений о течении газов через пористые структуры, результатов исследования характера течения и наиболее значимых параметров структуры материалов разработать модели, описывающие зависимость коэффициента воздухопроницаемости от строения полотен и условий испытаний;
- провести экспериментальную проверку и оценку разработанных моделей;
- для приближения условий лабораторных испытаний к эксплуатационным разработать устройства и методики, позволяющие исследовать влияние а) влагопереноса на воздухопроницаемость материалов различных структур и волокнистого состава, б) многоосного растяжения на воздухопроницаемость текстильных полотен;
- для выбора оптимального вида шва исследовать воздухопроницаемость участков тканей с различными шовными соединениями.
Основные методы исследований
Методологической основой представленных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований явились сложившиеся в материаловедении волокнистых материалов и изделий текстильной и легкой промышленности традиционные и новые научные представления о проницаемости материалов. В работе использованы математические законы и уравнения, основные положения молекулярной физики, механики жидкостей и газов, газо- и гидродинамики, теории подобия, теории сорбции и массопереноса, методы структурного анализа материалов, в том числе электронная микроскопия.
Применены методы математического моделирования, математической статистики, корреляционного и регрессионного анализа. Использованы операционные системы Windows 6.0, Windows 98, Windows ХР, программные продукты «Statgraf», «Origin 6.1».
Объекты исследований
Методы и средства измерений и испытаний, материалы для одежды — ткани, трикотажные полотна, нетканые материалы.
Научная новизна исследований
Научная новизна результатов проведенных исследований состоит в следующем:
- развиты теоретические представления о процессе прохождения воздуха через текстильный материал и впервые разработана теоретическая модель, позволяющая на основе информации о строении тканых структур и вязкости проходящей через них среды прогнозировать их проницаемость;
- предложены в систематизированном виде характеристики функций одежды; определено место и значимость комфортности одежды в общей системе её функций, изучены главные составляющие комфортности и свойства материалов, ее определяющие, к числу важнейших из которых относится воздухопроницаемость;
- предложен комплексный показатель строения тканей, на основании значений которого возможен теоретический расчет их воздухопроницаемости;
- предложен новый показатель, характеризующий сжимаемость текстильных материалов;
- разработаны устройство и методика оценки воздухопроницаемости текстильных материалов в условиях приближенных к эксплутационным, позволяющие экспрессно оценивать роль диффузионной и сорбционной составляющих влагопереноса;
- разработано устройство, обеспечивающее возможность проведения измерений коэффициента воздухопроницаемости текстильных полотен при различных степенях их многоосного растяжения;
- получены модели, описывающие изменение воздухопроницаемости полотен различных структур при их растяжении;
- предложен новый комплексный показатель структуры нетканых материалов различных способов производства, учитывающий характеристики их строения - поверхностную плотность, толщину, заполнение волокном, объемную массу;
- разработаны экспериментальные модели для прогнозирования воздухопроницаемости нетканых материалов.
Практическая значимость результатов работы
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что полученные при её выполнении результаты позволяют решать следующие задачи:
- осуществлять расчёт и прогнозирование воздухопроницаемости тканей на этапе их проектирования и при эксплуатации;
- получать результаты измерений воздухопроницаемости материалов с высокой достоверностью на приборах выбранных на основе сопоставительного анализа инструментальной базы российского, венгерского и британского производства;
- проводить структурную оценку тканей на основе методов, обеспечивающих получение достоверных данных;
- экспрессно оценивать роль волокна в процессе переноса влаги через материал, например при эвакуации влаги из пододежного пространства;
- проводить измерения воздухопроницаемости полотен в деформированном состоянии, соответствующем условиям их эксплуатации;
- прогнозировать воздухопроницаемость нетканых материалов по заданным значениям характеристик их строения.
Результаты научных исследований, представленных в диссертационной работе, и рекомендации выработанные на их основе внедрены в ЗАО «Научно-производственное объединение специальных материалов», ООО Научно-производственная фирма «ТЕХНИКОМ», ЗАО «Катод-Текстиль», ООО Научно-производственная фирма «Коруна», ОАО «ЦНИИ по переработке штапельных волокон», ОАО «Институт технических сукон».
Решение в диссертации проблемы проектирования текстильных материалов с заданной воздухопроницаемостью и ее оценки в условиях, приближенных к эксплуатационным, имеет социальную значимость, так как создает возможность обеспечения соответствия свойств изготавливаемых материалов и одежды из них гигиеническим нормам, содержащимся в Постановлении Главного государственного санитарного врача РФ № 51 от 17.04.2003 «О введении в действие санитарно-эпидемиологических правил и нормативов СанПиН 2.4.7./1.1.1286-03», по которому воздухопроницаемость отнесена к числу трех важнейших регламентируемых физико-гигиенических показателей изделий I, II и III классов.
Значение полученных результатов для теории
Для теории существенное значение имеют представленные: — концепция разработки методов оценки и расчета характеристик свойств материалов;
— развитые теоретические представления о процессе прохождения воздуха через пористый текстильный материал;
— теоретическая модель, позволяющая прогнозировать проницаемость тканых структур на основе данных об их строении и вязкости проходящей среды;
— модели воздухопроницаемости текстильных материалов различных способов производства;
— методы исследования и оценки воздухопроницаемости материалов в условиях, приближенных к эксплуатационным.
Достоверность проведенных исследований
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в работе, подтверждается сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с применением современных методов исследований и анализа результатов эксперимента, а также широкой апробацией полученных данных, их положительными оценками при опубликовании в научных изданиях как в РФ, так и за рубежом, позитивной и заинтересованной оценкой со стороны промышленности.
Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований характеристик строения и свойств материалов осуществлялась с применением современных методов, в том числе с использованием программ «Statgraf» и «Origin 6.1».
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и симпозиумах:
• Республиканская научно-практическая конференция. Иваново, 1983;
• Конференция «Современная техника и технология х/б производства и перспективы развития отрасли». Иваново, 1984;
• XI Всесоюзная научная конференция по текстильному материаловедению. Москва, 1984;
• XII Всесоюзная научная конференция по текстильному материаловедению. Киев, 1988;
• Научно-технические конференции СПГУТД . 1995, 1997, 2000;
• 77 Всемирная конференция Текстильного института (Textile Institute s 77th World Conference). Тампере, Финляндия, 1996;
• 4-й Симпозиум Королевского химического общества COPS-IY (Characterization of Porous Solids). Бат (Bath), Великобритания, 1996;
• Конференция Французского текстильного института и общества вол оконщиков США (Fiber Society Conference). Мюлуза, Франция, 1997;
• Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы создания и использования новых материалов и оценки их качества» (Материаловедение - 99). Черкизово, 1999;
• II Международная научно-практическая конференция «Материаловедение - 2002». Черкизово, 2002,
а также на научных семинарах:
- факультета текстильной технологии Института науки и техники Университета Манчестера, Великобритания;
- научно-исследовательской текстильной лаборатории De Meulemeester департамента текстиля Университета г. Гента, Бельгия;
- кафедры материаловедения Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна.
Теоретические обобщения, новые научные положения, связанные с теорией воздухопроницаемости материалов, разработанные методы и средства оценки воздухопроницаемости материалов используются # в лекционных курсах и лабораторных практикумах для подготовки дипломированных специалистов по направлению 656100 - «Технология и конструирование изделий легкой промышленности», по специальности 052400 «Дизайн», для подготовки магистров по направлению 553900 «Технология, конструирование изделий и материалы легкой промышленности», включены в учебные пособия и методические указания, в том числе «Определение воздухопроницаемости текстильных материалов». Л., ЛИТЛП, 1983, 10 с; «Физические свойства текстильных материалов». Л., ЛИТЛП, 1987, 31 с; «Методы исследования свойств текстильных изделий». Л., ЛИТЛП, 1988, 69 с; «Терминологический словарь по текстильному и швейному материаловедению». С-Петербург, 1998, 122 с, Лабораторный практикум «Текстильное материаловедение». /СП6.-СПГУТД.-2002, используются в УИРС, курсовом и дипломном проектировании.
Личный вклад автора
Личный вклад Куличенко А.В. состоит в определении и формулировании основной идеи и темы диссертационной работы, которая определила развитие научных основ материаловедения производств изделий текстильной и легкой промышленности в области изучения строения и проницаемости материалов, разработки методов научных исследований, идей, теории и экспериментальной практики исследований по данному направлению.
Автором впервые разработаны теоретические и эмпирические модели, позволяющие прогнозировать воздухопроницаемость материалов на основе информации об их характеристиках строения, устройства и методики для исследования воздухопроницаемости текстильных материалов в условиях, приближенных к эксплуатационным. Куличенко А.В. разработал программы, руководил и принимал непосредственное участие в практическом выполнении экспериментальных исследований.
Автор защищает:
- развитые в работе научные представления о процессе прохождения воздуха через пористые волокнистые системы;
- теоретическое обоснование разработанной физической модели, позволяющей на основе информации о строении тканых структур и вязкости проходящей через них среды прогнозировать их проницаемость;
- разработанные экспериментальные модели прогнозирования воздухопроницаемости нетканых материалов различных способов производства;
- теоретическое обоснование технических решений разработки устройств, обеспечивающих проведение испытаний материалов на воздухопроницаемость в условиях, приближенных к эксплуатационным;
- экспериментальные методы оценки воздухопроницаемости материалов в условиях одновременного влагопереноса, в условиях пространственной деформации полотен и на участках, имеющих шовные соединения;
- предложенные в работе новые комплексные показатели строения тканей и нетканых материалов для расчета и прогнозирования их воздухопроницаемости.
Публикации
По теме диссертации лично и в соавторстве опубликовано 42 работы, в том числе 11 статей, в изданиях, включенных в список, утвержденный ВАК при Министерстве образования и науки РФ. Ряд материалов опубликован в зарубежных научных изданиях, таких как Journal of the Textile Institute (Великобритания), Vlakna a Textil (Словакия), Journal of Federation of Asian Professional Textile Associations (Гон-Конг), Fibre Chemistry (США).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, общего заключения по работе, списка литературы и приложений. Изложена на 340 страницах, включает 115 рисунков, 69 таблиц, 191 библиографический источник. Приложения представлены на 99 страницах.
Аспекты комфортности одежды. Удобство в носке, психологический и тепловой комфорт
В широком смысле термин комфортность одежды включает несколько аспектов этого качества и проблемы его обеспечения. К их числу относятся следующие: удобство одежды в носке, связанное с минимизацией сопротивления одежды человека движениям человека, благодаря соответствию одежды размерам тела человека, растяжимости материалов и пр.; психологический комфорт; тепловой комфорт, связанный с обеспечением поддержания теплового баланса организма человека.
Систематизация ощущений человека, вызванных одеждой, соответствующая этим аспектам комфортности, приведена в [ 12 ], где выделены ощущения соответствия размеров одежды (tactil-fit); тактильные ощущения (tactil); термовлажностные ощущения (thermal-wet).
Удобство в носке, связанное с обеспечением свободы движений человека, зависит от двух главных факторов. Первым из них является конструкция одежды, которая разрабатывается на основе широкого перечня исходных данных. Особенности процесса конструирования, различные варианты конструкций одежды являются объектом изучения самостоятельного направления - "конструирование одежды", и поэтому здесь не рассматриваются. В число исходных данных для проектирования одежды входит среди прочих растяжимость применяемых материалов, являющаяся вторым после конструкции фактором, определяющим удобство одежды с рассматриваемой точки зрения.
На взаимосвязь комфортности одежды с растяжимостью материалов пристальное внимание было обращено в конце 70-х годов, когда во всем мире модными стали плотнооблегающие изделия спортивного стиля. Проблема обеспечения комфортности в сочетании с плотностью облегания не могла быть решена удовлетворительно на основе применения только трикотажных полотен по эстетическим соображениям. С одной стороны трикотажные полотна не могут заменить ткани при изготовлении целого ряда изделий. С другой стороны в процессе многократных растяжений при носке в таких полотнах накапливаются необратимые деформации, которые ухудшают вид изделия. То есть необходима не только достаточная растяжимость материалов, но и их способность восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузок [ 13 ]. Такая ситуация привела к разработкам целого ряда материалов, в первую очередь - тканых, с применением высокорастяжимых эластичных нитей. Содержание полиуретановых эластомерных (ПУЭ) нитей «Lycra» (Компания «Du Pont», США) составлявшее около 2 % в общей массе ткани, позволило обеспечить увеличение растяжимости изделий на 25 % [ 14 ] при полной восстанавливаемости размеров. Р.Рауег с сотрудниками (Компания «L. Payer and Сіє», Франция) разработали тканые структуры с применением эластомерных нитей для спортивных изделий (костюм лыжника), которые «обладали высоким уровнем комфортности», имея растяжимость до 85 % при полном восстановлении размеров.
Впервые образцы высокорастяжимых эластичных тканых структур были представлены в 1965 г. (Interstoff-65), в 1980 г. число производителей эластичных полотен составляло в Европе 160 предприятий. Достижение высокой растяжимости полотна может быть обеспечено различными способами. Одним из них является изготовление ткани с применением высокорастяжимых ПУЭ нитей, например «Lycra», содержание которых в полотне обычно составляет 2 - 5 %. Наиболее популярными являются ПУЭ нити, которые для придания материалам внешнего вида, сходного с внешним видом обычных материалов, имеют оболочку из других волокон, чаще всего - нейлоновую. Сочетание таких высокорастяжимых нитей с обычными натуральными или химическими нитями позволяет придать ткани внешний вид и свойства поверхности, характерные для тканей из этих волокон [ 15 ]. Растяжимость полотен зависит также от вида переплетения и отделки, а также от величины растяжения ПУ сердечника в процессе формирования оболочки. При 2 %-ном содержании ПУ нитей растяжимость ткани составляет порядка 30 %. Другим способом, примененным впервые концерном ICI, Великобритания, при выработке высокорастяжимых тканей, является применение высокорастяжимых текстурированных синтетических нитей. Еще одним способом придания большей растяжимости тканому полотну является применение специальной отделки предложенной фирмой «Kilsund», Швеция, — способ выработки растяжимых камвольных костюмных тканей [ 15 ]. Компанией «Phone-Poulenc» для выработки высокорастяжимого полотна было применено бикомпонентное волокно Tergal Х403 (полиэстер, 50/50 -сегментная структура), имевшее трехмерную спиральную извитость, которая восстанавливалась после отделочных операций. В зависимости от содержания волокна Tergal Х403 растяжимость полотна колеблется в пределах 18 - 25 % (при содержании волокна 60 % растяжимость тканого полотна составила 20 %).
Психологический комфорт определяется с одной стороны соответствием одежды эстетическим требованиям человека и, с другой стороны, тактильными ощущениями, возникающими при непосредственном контакте материалов с кожей человека. Анализ литературных источников, касающихся психологического комфорта, связанного с тактильными ощущениями, позволяет заключить, что этот аспект изучен сравнительно мало. Считается, что тактильные ощущения формируются системой кожных рецепторов давления. Рассмотрение психологического комфорта имеет смысл в тех случаях, когда другие аспекты (обеспечение свободы движений и теплового баланса) комфорта в допустимых пределах обеспечены. Существует мнение, что характер тактильных ощущений связан с физиологической природой человека. Так считается, что в обычных условиях одежда из комплексных нитей для женщин некомфортна в значительно меньшей степени, чем для мужчин [ 16, С. 178 ], так как женщины более привычны к охлаждающему эффекту такой одежды.
Сравнительный анализ приборов для определения воздухопроницаемости текстильных материалов
Как указано выше, комфортность одежды определяется ее способностью обеспечивать условия для оптимального теплообмена между телом и окружающей средой. Критериями оценки в этом случае служат характеристики состояния пододежного слоя воздуха. Основными факторами, определяющими такое состояние являются, следующие: условия окружающей среды; величина физической нагрузки, определяющая интенсивность продуцирования тепла; конструкция одежды, определяющая ее "вентилируемость" и долю в общей величине теплообмена конвективного способа теплоотдачи, а также скорость удаления испаряющейся с поверхности тела влаги; свойства материалов, из которых изготовлена одежда, влияющие на интенсивность тепло-, влаго- и газообмена между пододежным и наружным пространством (рисунок 1.3 ).
Первые два фактора можно отнести к внешним, третий и четвертый факторы связаны непосредственно с исследуемым объектом - одеждой. Выбор конструкции одежды и подбор материалов, обладающих соответствующими свойствами, осуществляется на основе информации о первых двух факторах, т.е. об условиях внешней среды и величине предполагаемой физической нагрузки. Для бытовой одежды имеются широкие возможности варьирования ее вентилируемости за счет конструктивных изменений. Для одежды специального назначения, выполняющей кроме обычных различные дополнительные (например, защитные) функции, изменение вентилируемости очень часто возможно в довольно узких пределах. Из этого следует, что для одежды специального назначения часто едва ли не единственным способом обеспечения наиболее благоприятного (в пределах имеющихся возможностей) микроклимата пододежного слоя является правильный подбор материалов на основе объективной информации об их свойствах.
Обеспечение комфорта зависит от интенсивности процессов воздухо-, влаго- и теплообмена между пододежным и наружным пространством. Процессы влаго- и теплообмена могут иметь место при отсутствии воздухообмена. В этом случае определяющими являются: наличие градиента парциального давления водяного пара для обеспечения влагообмена (в этом случае имеет место и теплообмен, связанный с отдачей тепла в процессе испарения влаги); наличие градиента температуры для обеспечения теплообмена.
В то же время при рассмотрении воздухообмена между пододежным и наружным пространством обнаруживается, что этот процесс неизбежно влечет за собой влаго- и теплоперенос. Отсюда следует вывод о существенной значимости вентилируемости одежды, как влияющей на интенсивность процессов влаго- и теплообмена, для обеспечения ее комфортности.
Вентилируемость, как свойство перегородок, обеспечивающее воздухообмен между замкнутыми объемом и наружной средой впервые изучалась применительно к строительным конструкциям [ 60 — 64 ]. Несмотря на широко распространенное словосочетание «вентилируемость одежды», ставшее общепринятым, термин «вентилируемость», строго говоря, следует относить не к одежде, а к ее внутреннему пространству. То есть речь должна идти о вентилируемости пододежного пространства, представляющей собой воздухообмен с наружным пространством. При рассмотрении воздухообмена применительно к одежде возможны два пути, по которым этот процесс может протекать. Первый - через открытые участки одежды, такие как горловина, застежка, рукав и пр. Второй путь -непосредственно через материалы одежды. Интенсивность процесса в первом случае определяется конструкцией одежды, во втором случае -воздухопроницаемостью материалов.
Изучение микроклимата пододежного слоя спецодежды рыбаков [65 ], изготовленной из непроницаемой ткани, одежды для пожарных [ 66 ], плащевых изделий [ 67 ] показало, что вентилируемость такой одежды определяется ее конструкцией, проницаемостью слоев одежды, скоростью ветра и подвижностью тела. Существенное значение для интенсивности вентиляции имеет фактор величины объема пододежного пространства [ 67 ], специальные замеры которого проводились в работе [ 68 ]. При рассмотрении в качестве главного фактора вентилируемости одежды «эффекта мехов», связанного с ритмическими движениями тела и конечностей человека было установлено [ 69 ], что при наличии открытых участков вентиляция одежды прежде всего осуществляется через них. Вторым фактором после «эффекта мехов», связанного с движениями человека, является напор наружного воздуха. В случае одежды свободного покроя из многослойных пакетов изменения в широких пределах воздухопроницаемости наружного слоя не столь существенно сказываются на вентилируемости в то время, как скорость обдува ветром является значимой [ 70 ].
Исследование, описанное в [ 71 ], заключалось в измерении объема пододежного пространства и измерении скорости воздухообмена. Зависимость вентилируемости одежды от площади ее поверхности, объема пододежного пространства и скорости воздушного потока рассмотрена в работе [ 72 ]. Так же как и в [ 65 - 67 ] в основе исследования было определение газопроницаемости материалов на основе оценки динамики изменения содержания кислорода в смеси «кислород-азот» в исследуемом объеме до достижения величины его содержания в атмосферном воздухе. В качестве характеристики газопроницаемости в [ 66 ] использовался показатель времени г1/2, в течение которого концентрация кислорода в системе достигает половины ее величины в окружающем воздухе. Чем меньше величина этого показателя, тем более интенсивно происходит изменение концентрации кислорода в системе, т.е. тем выше газопроницаемость.
Сопоставительный анализ теоретических (расчетных) и экспериментальных значений воздухопроницаемости материалов
В указанных работах указывается, что наибольшее влияние на воздухопроницаемость оказывают поверхностное заполнение тканей и сквозная пористость. Отмечается также тот факт, что ткани при «примерно одинаковом» строении могут отличаться по воздухопроницаемости. Это объясняется авторами различиями материалов по волокнистому составу, линейной плотности нитей и виду переплетения. В этой связи естественным представляется вопрос о том, что понимается под термином «примерно одинаковое строение» для случая, когда ткани отличаются волоконным составом, линейной плотностью нитей, видом переплетения.
Влияние вида переплетения на воздухопроницаемость отмечено Кукиным Г.Н. и Соловьевым А.Н. [ 92 ] со ссылкой на Н.П.Розанову [ 101 ], где констатируется, что при одинаковом поверхностном заполнении тканей наименьшая воздухопроницаемость наблюдается при полотняном переплетении, значительно большая - при саржевом, еще большая - при атласном и максимальная - при креповом и вафельном переплетениях. Наличие корреляции между воздухопроницаемостью и максимальной длиной перекрытия, которая является производной от вида переплетения и плотности ткани объяснено следующим образом: при большей длине перекрытия уменьшается зажим волокон, повышается рыхлость ткани, благодаря чему воздух как бы раздвигает нити; плотность по системе нитей с максимальной длиной перекрытия больше, чем по второй системе, поэтому вторая разреженная система нитей мало препятствует прохождению воздуха [ 102 ].
На основе приведенных экспериментальных исследований измерения воздухопроницаемости и определения указанных характеристик структуры тканей, получены эмпирические зависимости воздухопроницаемости шелковых сеток, подкладочных тканей полотняного переплетения из комплексных нитей (вискозных и полиэфирных) от параметра Пс (в определенных областях допустимых значений Яс), а также воздухопроницаемости хлопчатобумажных тканей из одиночной (бязь, майя) и из крученой пряжи.
При изучении воздухопроницаемости текстильных полотен интерес представляет информация о том каково влияние строения нитей на воздухопроницаемость материалов, то есть какую часть общего расхода составляет расход воздуха непосредственно через «скелет» материала - нити. Попытки экспериментально определить расход воздуха через нить не дали желаемого результата [ 105 ]. Вместе с тем, анализ расчетных формул для определения фильтрационных возможностей волокнистых материалов показал, что в большей степени для расчета воздухопроницаемости нитей приемлема формула Дейвиса [ 106 ]: 5 - плотность упаковки волокон (доля объема материала, занятого волокнами). Сравнение величины действительной скорости фильтрации воздуха через ткань с расчетными значениями скорости потока V , полученными из предположения, что весь образец состоит из однородной волокнистой массы, пористость которой равна пористости нитей, показало, что доля расхода воздуха через нити у плотных тканей может составлять порядка 10 % от общего расхода и уменьшается с увеличением пористости [ 105 ].
Изучение влияние крутки пряжи на воздухопроницаемость тканей [ 101 ] показало, что с увеличением крутки воздухопроницаемость возрастает, так как увеличение крутки ведет к уменьшению диаметра нитей и, следовательно, при одной и той же плотности ткани увеличиваются ее поры. В тканях из слабо скрученных, рыхлых, пушистых нитей поры между нитями частично закрыты выступающими из нитей волокнами. Кесвелл считает [ 107 ], что существует линейная зависимость между воздухопроницаемостью и круткой. «... Крутка оказывает огромное влияние на пористость изделия (воздухопроницаемость). По-видимому, это объясняется непосредственным влиянием крутки на уплотнение пряжи. С увеличением коэффициента крутки повышается плотность. Любой другой фактор не оказывает такого влияния на пористость».
Исследование влияния геометрии волокон на воздухопроницаемость нетканых материалов рассмотрено в [ 108 ], где утверждается, что в нетканых материалах характеристики волокон играют доминантную роль. Это связывается с отсутствием влияния структурных показателей, характерных для других видов материалов, таких как вид переплетения, крутка пряжи, плотность переплетения и т.д. То есть в нетканом материале главным для воздухопроницаемости элементом структуры является волокно. В работе изучена фильтрационная способность материалов во взаимосвязи с изменением одной из пяти характеристик волокон - формы поперечного сечения, линейной плотности, неровноты поверхности, извитости, штапельной длины. На основе анализа полученных данных авторы утверждают, что эффективность фильтрации улучшается при: использование в НМ волокон с трехлопастной формой поперечного сечения "трилобал" (по сравнению с круглой формой поперечника); использование извитых волокон по сравнению с неизвитыми; использование более тонких волокон ( Т = 0,33 текс ) по сравнению с волокнами большей толщины (Т = 0,66 текс).
Степень влияния волокнистого состава материалов на воздухопроницаемость зависит от их пористости. С увеличением пористости значимость волокнистого состава, как фактора воздухопроницаемости, уменьшается. Влияние волокнистого состава тканей и трикотажных полотен на их воздухопроницаемость возрастает в случаях изменения структуры материалов, приводящих к уменьшению межнитевых пор. В тех случаях, когда межнитевая пористость (величина обратная объемному заполнению) достаточно высока, так же как при повышенной гладкости нитей преобладающими факторами воздухопроницаемости независимо от волокнистого состава являются характеристики строения материалов [ 98 ].
Методика исследования влияния процесса влагопереноса на воздухопроницаемость материалов
При единой принципиальной схеме всех применяемых в практике текстильных исследований приборов для измерения воздухопроницаемости, главным отличием современных приборов является конструкция устройства измерения расхода воздуха - в одних случаях применяются ротаметры, в других - трубки Вентури. Проведенным ииследованием показано, что из числа приборов допускаемых российским стандартом к использованию для измерений воздухопроницаемости текстильных материалов наиболее приемлем прибор ВПТМ-2, как позволяющий получать наиболее достоверные и воспроизводимые результаты. Общепринятым показателем, которым характеризуется способность текстильных материалов пропускать воздух, является коэффициент воздухопроницаемости, зависящий от величины перепада давления и структуры пористого материала. При размерности этого показателя его величина численно равна скорости потока воздуха через материал. Для одного и того же материала значение коэффициента воздухопроницаемости зависит от величины перепада давления, которой определяется скорость и характер режима течения воздуха через пористые структуры, к которым относятся текстильные материалы. При небольших скоростях - режим течения ламинарный, при высоких скоростях — может быть турбулентным. В первом случае зависимость коэффициента воздухопроницаемости от давления линейная, во втором - параболическая. Стандартная величина перепада давления, применяемая при измерениях воздухопроницаемости в соответствии со стандартом для материалов бытового назначения и равная 49 Па, соответствует климатическим условиям средней полосы России, где средние значения скорости ветра не превышают 8-10 м/с. При стандартной величине перепада давления (49 Па) значения коэффициента воздухопроницаемости текстильных материалов в зависимости от их строения (и назначения) варьируются в широких пределах — от практически непроницаемых до 7000 дм3/(м2 с). При увлажнении материалов может происходить снижение их воздухопроницаемости, которое начинает наблюдаться при возрастании влажности выше 25 %, когда имеет место появление влаги в микро- и макрокапиллярах, конденсация влаги и набухание волокон. Наименьшая воздухопроницаемость наблюдается при влажности материалов, соответствующей их полной влагоемкости. Основными характеристиками строения, которые влияют на величину коэффициента воздухопроницаемости, считаются: - плотность материала (при равномерном распределении волокон воздухопроницаемость зависит от плотности материала и диаметра волокон или величины суммарной площади поверхности волокон в единице объема материала); - толщина материала; - при наличии сквозных пор - сквозная пористость (при одинаковой величине сквозной пористости важнейшим фактором является толщина нитей); - при отсутствии сквозных пор - общая пористость (количество и размер пор); - вид переплетения и производная от этого показателя — длина перекрытия (для однослойных тканей при прочих равных показателях min воздухопроницаемость характерна для полотняного переплетения, max — для крепового и вафельного); - волокнистый состав, т.е. геометрические характеристики волокон. В тканых структурах определенное значение может иметь плотность нитей, связанная с их круткой, через которые (при разрыхленности их строения) может проходить до 10 % потока воздуха. В нетканых материалах, полученных на основе «волокнистых холстов», в качестве основных факторов, определяющих их воздухопроницаемость рассматриваются, кроме плотности и толщины, геометрические характеристики волокон — толщина, форма поперечного сечения, извитость, неровнота поверхности. В тканях трикотажных полотнах и нетканых материалах «типа тканей» влияние геометрических характеристик волокон на воздухопроницаемость снижается с уменьшением плотности материала. При значительной величине межнитевых пор роль волокнистого состава оказывается незначимой, и преобладающими факторами являются характеристики структуры полотна. В условиях лабораторных измерений воздухопроницаемости текстильных материалов одежного назначения имеет место ламинарный режим течения, при котором зависимость В = j (Р) имеет линейный характер. Принимая во внимание ламинарный характер течения воздуха через текстильные материалы, на основе модели пористой системы «идеальный грунт», представляющей систему параллельных капилляров, с использованием формулы Пуазейля для одного капилляра разработана теоретическая модель, описывающая взаимосвязь между скоростью проходящего воздуха через ткань и перепадом давления. В данной модели строение ткани характеризуется комплексным показателем структуры, учитывающим толщину ткани, диаметр пор и сквозную пористость.
