Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние разработки защитных и антимикробных материалов на текстильных носителях 16
1.1 Системный анализ факторов воздействующих на организм человека при техногенных катастрофах и в биологически активных средах 16
1.2 Текстильные носители, используемые для изготовления защитных и антимикробных материалов 24
1.3 Антимикробные и биоцидные вещества, используемые при производстве антимикробных волокнистых материалов 32
1.4 Наносистемы и наноматериалы, их применение в производстве текстильных волокнистых материалов 36
Выводы по главе 43
2 Основные требования и номенклатура показателей качества нетканых текстильных материалов для одежды специальной и бытового назначения .. 45
2.1 Общие требования и показатели качества текстильных волокнистых нетканых материалов 47
2.2 Требования и номенклатура показателей качества волокнистых нетканых материалов для СИЗ, защищающих от техногенных радионуклидов 49
2.3 Требования и номенклатура показателей качества волокнистых нетканых материалов для спецодежды, защищающей от биоцидного загрязнения 53
Выводы по главе 56
3 Обоснование состава, структуры и разработка волокнистых полотен для специальной одежды, защищающей от техногенных катастроф и биологически активных сред 57
3.1 Развитие научных основ и обоснование структуры, состава и способов производства нетканых полотен для специальной одежды, защищающей от техногенных катастроф 57
3.2 Развитие научных основ и обоснование структуры, состава и способов производства нетканых полотен для специальной одежды, защищающей от биологически активных сред 62
3.3 Разработка биологически активного комплекса, обладающего си-нергическим эффектом и пролонгированным лечебным действием 66
3.4 Разработка способов модифицирования волокнистых нетканых материалов биологически активными комплексами 74
Выводы по главе 78
4 Создание новых и совершенствование существующих установок и методик испытаний теоретические обоснования 79
4.1 Разработка метода и устройства для определения защитной эффективности волокнистых текстильных материалов в условиях загрязнения окружающей среды радиационными и биологическими пылями и аэрозолями 79
4.2 Разработка методов оценки влагосорбционных свойств много слойных нетканых полотен для спецодежды 83
4.2.1 Метод оценки двухсторонней влагосорбционной способности текстильных волокнистых материалов 84
4.2.2 Влагоёмкость текстильных волокнистых материалов и новый метод её определения 86
4.3 Разработка способа исследования релаксации напряжения мягких композитов посредством механических колебаний 89
4.4 Разработка прибора и метода определения показателей вязкоупругих свойств текстильных волокнистых материалов 96
4.5. Методы определения и оценки защитной эффективности антимикробных волокнистых текстильных материалов 99
Выводы по главе 104
5 Микромеханика разрушения нетканых волокнистых материалов. теоретическое и экспериментальное исследование 105
5.1 Микромеханика разрушения термоскреплённых нетканых материалов 108
5.2 Микромеханика разрушения гидроскреплённых нетканых материалов 137
5.3 Микромеханика разрушения иглопробивных нетканых материалов 152
Выводы по главе 166
6 Защитные и потребительские свойства волокнистых нетканых материалов 167
6.1 Свойства многослойных нетканых полотен для специальных из делий, защищающих от последствий техногенных катастроф 168
6.1.1 Капиллярно-пористая структура многослойных нетканых полотен для защитных изделий 168
6.7.2 Оптимизация прочностных и гигиенических свойств многослойных нетканых полотен 170
6.1.2 Воздухопроницаемость многослойных нетканых полотен и факторы её определяющие 172
6.1.4 Защитная эффективность многослойных нетканых материалов 175
6.2 Свойства биологически активных нетканых полотен специального назначения 180
6.2.1. Прочностные характеристики нетканых материалов для биологически активных изделий 180
6.2.2 Вязкоупругие свойства нетканых биологически активных материалов 182
6.2.3 Гигиенические свойства биологически активных нетканых материалов 184
6.2.4 Исследование антимикробной активности нетканых волокнистых материалов к действию патогенной микрофлоры 186
6.2.5 Устойчивость антимикробных свойств нетканых полотен к мокрым обработкам 191
6.2.6 Исследование наличия химических элементов в образцах нетканых полотен с помощью лазерно-искровой экспресс-методики 194
6.2.7 Исследование волокнистых материалов модифицированных биологически активными наноразмерными препаратами методом
сканирующей микроскопии 203
Выводы по главе 211
7 Практическое использование разработнных волокнистых текстильных нетканых материалов для спецодежды, защищающей от последствий техногенных катастроф и биологически активных сред 213
Заключение 216
Список использованных источников 219
Приложения 240
- Текстильные носители, используемые для изготовления защитных и антимикробных материалов
- Требования и номенклатура показателей качества волокнистых нетканых материалов для СИЗ, защищающих от техногенных радионуклидов
- Развитие научных основ и обоснование структуры, состава и способов производства нетканых полотен для специальной одежды, защищающей от биологически активных сред
- Разработка методов оценки влагосорбционных свойств много слойных нетканых полотен для спецодежды
Введение к работе
В результате стихийных бедствий, техногенных катастроф, эпидемий и т.п. существенно возрастает опасность воздействия неблагоприятной среды на организм человека. В России, как и в других странах, принимаются неотложные меры по предупреждению этих явлений, выдвигаются более жесткие требования к безопасности всех видов продукции, созданию более эффективных средств профилактики и защиты организма человека от болезнетворных микроорганизмов, загрязненных пылей и аэрозолей.
Эффективным средством индивидуальной защиты (СИЗ) организма человека являются антимикробные и защитные материалы, выполненные на волокнистых носителях: тканях, трикотажных и нетканых полотнах.
Антимикробные материалы и изделия на волокнистых носителях широко применяются в сфере жизнедеятельности человека и окружающей среды.
Для достижения большего биоцидного эффекта, из известных средств, подавляющих жизнедеятельность патогенной микрофлоры все большее применение находят антимикробные материалы, выполненные на текстильных носителях: тканых, трикотажных и нетканых, модифицированных наноразмерными биологически активными препаратами. Наиболее перспективными являются нетканые полотна, изготовление которых не требует применения сложного оборудования, получать их можно из недефицитных волокон и нитей, они хорошо впитывают жидкости, задерживают пыли и аэрозоли.
Однако создание нетканых полотен нового уровня качества и безопасности сдерживается отсутствием обоснованных предпосылок и научных разработок по созданию таких полотен, а также отсутствием новых более информационных методов и средств испытаний, новых научных подходов и комплексных системных исследований, направленных как на разработку, так и на исследование нетканых материалов для СИЗ. В последние годы нанонаука и производство наноразмерных материалов и изделий является одним из магистральных направлений развития современной науки и технологии. Это направление в области материаловедения и технологии активно развивается, захватывая все новые и новые области науки и промышленного производства [1-4, 94].
Современные успехи в области нанотехнологии открывают новые возможности для разработки принципиально новых технологических процессов получения наноразмерных антимикробных препаратов и материалов.
Развитие отрасли нетканых материалов основывается на создании и применении современных технологий [5], в том числе гидроструйной, иглопробивной и термоскрепления, а также возможных их комбинаций.
Для оптимизации свойств нетканых полотен, в том числе прочностных, и повышения их надёжности необходимы более совершенные методы испытаний, позволяющие выявить взаимосвязь свойств полотен с параметрами процессов их изготовления и особенностями их структуры.
В связи с этим важное значение приобретают дальнейшие исследования механизма разрушения и формоустойчивости нетканых волокнистых материалов из различных термопластичных волокон при их растяжении.
В настоящее время нетканые полотна в производстве антимикробных материалов используются ограниченно. В основном их применяют для изготовления изделий разового назначения: перевязочных средств, повязок, салфеток, санитарно-гигиенических изделий, средств личной гигиены и т.п. Причина такого положения - недостаточность сведений и слабая изученность физико-механических, гигиенических, защитных (антимикробных), других специальных свойств нетканых полотен. Поэтому разработка антимикробных медицинских материалов на волокнистых носителях, получение новых сведений о свойствах таких полотен является актуальной научной задачей, имеющей важное социальное значение.
Тема диссертации утверждена советом Московского государственного университета дизайна и технологии (МГУДТ). Работа выполнялась в рамках реализации важнейших проектов государственного значения по приоритетному направлению в области индустрии наносистем и материалов (1.2) и критическим технологиям в области индустрии наносистем и материалов (2.4); нанотехнологии и наноматериалов (2.7); технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф (2.21); технологии создания биосовместимых материалов (2.22); технологии создания и обработки полимеров и эластомеров (2.25).
Работа выполнялась по тематическому плану НИР МГУДТ, 1996-2000 года комплексная тема: «Разработка проблем материаловедения в производстве одежды и обуви из современных материалов», 2001-2005 года комплексная тема: «Исследование и прогнозирование свойств материалов для изделий лёгкой промышленности, изготовленных по нетрадиционным технологиям» и 2006-2010 года комплексная тема: «Разработка и совершенствование методов исследования свойств и оценка качества материалов лёгкой промышленности с учётом требования безопасности».
Целью работы является развитие теоретических основ разработки и исследования антимикробных и защитных материалов на нетканых волокнистых носителях, в том числе модифицированных наноразмерными биологически активными препаратами и создание методов и средств испытаний, улучшающих оценку качества этих материалов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- оценка современного состояния разработки специальных защитных, антимикробных, профилактических и бытовых текстильных материалов;
- установление требований и разработка номенклатуры основных показателей свойств и качества текстильных нетканых полотен для изделий защищающих от антимикробного и техногенного загрязнения окружающей среды;
- разработка концепции создания и обоснование оптимального волокнистого состава, структуры, технологии производства и оптимизация режи мов и параметров изготовления нетканых волокнистых материалов, обладающих антимикробными и защитными свойствами;
- обоснование и разработка биологически активных комплексов, в том числе включающих наноразмерные биологически активные вещества, обладающих синергическим эффектом и пролонгированным действием;
- разработка способов модифицирования волокнистых нетканых материалов биологически активными наноструктурными препаратами;
- создание новых и совершенствование существующих приборов, устройств и методик для исследования специальных свойств текстильных волокнистых материалов;
- разработка аналитических методов и проведение исследований по микромеханике разрушения нетканых материалов различных способов получения;
- исследование защитных и потребительских свойств нетканых волокнистых материалов, в том числе методами нанодиагностики;
- выявление возможности расширения использования нетканых материалов в спецодежде специального и бытового назначения;
- производственная и эксплуатационная проверка разработанных нетканых материалов и изделий из них.
Научная новизна проведенных исследований состоит в том, что:
- разработана концепция создания антимикробных и защитных материалов на нетканых волокнистых носителях;
- развито перспективное научное направление по разработке и исследованию антимикробных и защитных материалов на нетканых волокнистых носителях, в том числе модифицированных наноразмерными биологически активными препаратами;
- разработаны и усовершенствованы оригинальные приборы и устройства, а также методики проведения исследований текстильных материалов с целью изучения структуры, свойств и оценке их качества. По результатам разработок получено четыре патента РФ (№№ 2255323, 2251094, 2263302, 2265214);
- разработаны требования и предложена номенклатура показателей свойств и качества текстильных нетканых полотен для изделий защищающих от антимикробного и техногенного загрязнений окружающей среды;
- научно обоснованы, разработаны и исследованы новые нетканые материалы для специальной одежды, отвечающие высоким требованиям защиты и надёжности при эксплуатации в экстремальных условиях. По результатам разработок получено авторское свидетельство СССР (№ 1586290), два патента РФ (№№ 2136794, 2159825), патент РФ на полезную модель (№ 61294) и решение о выдаче патента РФ на изобретение от 06.11.2007 г.;
- научно обоснованы и установлены механизмы антимикробного действия и устойчивости препаратов на волокнистых материалах, разработаны и исследованы новые биологически активные препараты;
- предложен оптимальный состав, обладающий синергическим эффектом и пролонгированным действием для модифицирования текстильных материалов с целью придания им бактерицидных свойств. По результатам разработок получен патент РФ (№ 2178029);
- разработаны новые, оригинальные способы модификации текстильных материалов биологически активными препаратами, в том числе и нано-размерными;
- раскрыты механизмы процессов микромеханики разрушения нетканых волокнистых материалов полученных по гидроструйной, иглопробивной, термоскреплённой технологии, а также их комбинаций и предложена зависимость, описывающая процесс разрушения волокнистых нетканых материалов;
- теоретически обоснованы и установлены зависимости защитных и гигиенических свойств нетканых волокнистых материалов от их структурных характеристик, волокнистого состава и вида специальной обработки. - получены новые данные о прочностных, вязкоупругих характеристиках, гигиеничности, антимикробной активности нетканых волокнистых материалов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается теоретическими и экспериментальными доказательствами, применением современных объективных методов определения показателей свойств и качества материалов, оценкой полученных результатов с помощью математико-статистических методов обработки экспериментальных данных и регрессионного анализа. Погрешность в определении показателей свойств нетканых волокнистых материалов не превышала 9%, а созданные автором установки и средства измерения обладали погрешностью не более 5%.
Текстильные носители, используемые для изготовления защитных и антимикробных материалов
Развитие современных отраслей промышленности сосредоточены на создании новой технологической базы, в том числе наноиндустрии и внедрении разработок, выполненных на основе приоритетных направлений развития науки и технологий. Основными являются два критерия: обеспечение национальной безопасности России, в том числе снижение риска техногенных катастроф, а также ожидаемый вклад в ускорение роста ВВП и повышение конкурентоспособности отечественных изделий лёгкой промышленности.
Стихийные бедствия, техногенные катастрофы, эпидемии и другие опасные воздействия окружающей среды, связаны с необходимостью пребывания человека во многих случаях в условиях воздействия на организм человека вредных факторов внешней среды. Данные вредные воздействия обусловили необходимость создания специальных средств защиты человека от опасных сред.
Средства индивидуальной защиты (СИЗ) являются неотъемлемой частью системы безопасности человека на предприятиях и в лабораториях, где работают с биологически активными и опасными веществами. Они являются последним защитным барьером, после которого вредные вещества могут попасть на кожные покровы и в организм человека. Поэтому значение СИЗ весьма существенно, особенно при непосредственном контакте с открытыми веществами, как это происходит при техногенных катастрофах.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом создано множество разнообразных СИЗ. Однако сказывается недостаточный ассортимент используемых материалов, отсутствие материалов для специальных типов СИЗ, используемых за рубежом и применяемых в условиях высоких уровней загрязнения, в том числе биологически активными загрязнениями. Попытки использования традиционных СИЗ в условиях новых видах вирусного загрязнения становятся неэффективными.
В зависимости от назначения биоактивные материалы производятся в виде тканей, трикотажных и нетканых полотен.
Медицинский текстиль - широкое понятие, охватывающее крут материалов, которые используются не только в лечебной практике, но и во многих других сферах жизнедеятельности человека: при работе в экстремальных условиях, занятиях спортом, активном отдыхе, в косметологии. В зависимости от природы и свойств вводимого соединения или композиционного препарата текстильный материал можно подразделить на две большие группы: лечебный (медицинский) и биоактивный (антибактериальный или бактерио-статический).
Назначение медицинского текстиля - создание пролонгированного лечебного эффекта, что исключает необходимость частых перевязок, ускоряет процесс заживления раны или воспалительного очага, облегчает работу медперсонала. Антибактериальные текстильные материалы предназначены, пре жде всего, для подавления размножения и жизнедеятельности грибков, гнилостных бактерий и т.п. за счет действия введённых в них биологически активных веществ. Кроме того, они повышают гигиеничность и комфортность одежды, что особенно актуально в экстремальных ситуациях, а также бытовых условиях.
Дефицит тканей и трикотажных полотен, их высокая стоимость, неудовлетворительные защитные свойства, сложность обработки биологически активными веществами без изменения технологического процесса, позволяют сделать вывод, что создание дешёвого гигиеничного материала, модифицированного биологически активными веществами, является важной народнохозяйственной и социальной задачей.
Таким образом, определяется острая необходимость создания отечественных материалов нового поколения на новой технологической базе нано-индустрии.
Анализ путей совершенствования материалов для спецодежды направ-лен на создание дешёвого, надёжного материала обладающего достаточной прочностью, гигиеничностью и комплексом заданных свойств.
В свою очередь, разработка новых видов материалов затруднена отсутствием современных информативных методов определения специальных свойств текстильных волокнистых материалов.
Перспективными с точки зрения волокнистых текстильных носителей являются нетканые полотна, классификация способов производства, сырьевой состав и ассортимент которых представлены на рисунке 1.
Наиболее распространенными являются нетканые материалы, получаемые иглопробивным и холстопрошивным [20], термоскреплённым способами, а также склеиванием и их комбинациями.
Одним из основных преимуществ изготовления нетканых материалов по сравнению с ткаными и трикотажными изделиями является сокращение производственных переходов, а также высокая производительность агрегатов в сравнении с ткацкими станками и трикотажными машинами. Сокращение производственных переходов, возможность агрегирования машин и повышение производительности оборудования значительно увеличивают производительность труда в производстве нетканых материалов. При производстве нетканых материалов устраняются некоторые трудоёмкие операции, значительно сокращается потребность в рабочей силе, и создаются лучшие условия для механизации и автоматизации производства, чем при классическом способе производства текстильных материалов.
Сокращение производственных переходов, агрегирование машин и повышение производительности оборудования в производстве нетканых материалов увеличивают также съём продукции в 1,5-2 раза сім2 производственной площади в час.
В производстве нетканых материалов снижается потребность в различных вспомогательных материалах, топливе, электроэнергии и другом примерно на 25% по сравнению с производством тканей и трикотажа.
Эффективность каждого способа производства в текстильной промышленности в значительной мере зависит от расходов сырья. В производстве нетканых материалов наблюдается уменьшение расходов сырья по сравнению с производством тканых и трикотажных полотен примерно на 15-30%. Кроме того, экономии сырья способствует лучшее использование смеси при изготовлении волокнистого холста. В производстве нетканых материалов ликвидируются некоторые переходы производства, где выделяется большое количество угаров. Поэтому выход полотна нетканых материалов из смеси выше, чем выход тканых и трикотажных полотен.
Требования и номенклатура показателей качества волокнистых нетканых материалов для СИЗ, защищающих от техногенных радионуклидов
Требования к нетканым материалам защитного назначения несколько отличается от требований к материалам обычных видов специальной одежды [56-62, 198, 205]. Такая спецодежда выполняет одновременно функции одежды, в её традиционном понимании, и функции барьерного - защитного средства. Отсюда могут быть сформулированы общие требования к ней: - не должна препятствовать кожному дыханию и кровообращению; - должна обеспечивать нормальную терморегуляцию организма человека, не стимулируя потоотделение и не препятствуя его испарению при выделении; - должна иметь минимальную массу; - должна защищать от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды; - должна соответствовать требованиям промышленной эстетики. Данные требования легли в основу создания номенклатуры показателей качества спецодежды, защищающей от техногенных радионуклидов.
Взяв за основу номенклатуру показателей качества материалов для спецодежды (ГОСТ 12.4.073-79) и учитывая специфику работы персонала предприятий с возможным загрязнением окружающей среды опасными веществами, составлен перечень, содержащий 7 групповых 21 единичный показатель качества [63], представленной в таблице 2.1.
Наибольшее значение для материалов такого уровня защиты имеют групповые показатели: структурные, эстетические и технологические. Остальные показатели имеют меньшее значение и при разработке номенклатуры показателей качества учитываются не всегда.
Для нетканого полотна СИЗ данного назначения защитные показатели являются важнейшими, т.к. нередко работа на таких предприятиях связана с возможностью попадания кислот, щелочей и других агрессивных растворов на спецодежду.
В виду недопустимости проникновения вредных для организма человека частиц пыли и аэрозолей в пододёжное пространство одним из основных является требование непроницаемости большинства частиц различных веществ и разрушения структуры материала агрессивными веществами.
Данные СИЗ, как правило, эксплуатируются непродолжительное время, поэтому немаловажна задача экономической целесообразности её применения, необходимо, чтобы затраты на её изготовление и использование не пре вышали соответствующих затрат на обычную спецодежду за тот же промежуток времени.
Спецодежда, защищающая от техногенных катастроф, как правило, эксплуатируется в течение нескольких часов в день и поэтому особенно важны гигиенические показатели, которые играют заметную роль в поддер жании нормального микроклимата и обеспечении комфортных условий для человека.
Большая роль в данных видах спецодежды отводится физико-механическим показателям. Разрушение целостности материала недопустимо - оно приведёт к повышенной опасности при работе в условиях возможного загрязнения агрессивными веществами.
Проведённое нами изучение условий труда работающих, в частности радиохимических предприятий и анализ вышесказанного позволяет сделать вывод, что текстильные волокнистые нетканые материалы, используемые для изготовления спецодежды, защищающей от техногенных катастроф, должны обладать следующими нормативными значениями показателей свойств: - поверхностная плотность - 90-110 г/м ; - воздухопроницаемость, не менее - 400 дм /м с; - гигроскопичность, не менее - 3,0 %; - прочность на раздир, не менее, по длине - 29 Н, по ширине - 31 Н; - разрывная нагрузка, не менее, по длине - 65 Н, по ширине - 150 Н; - пылепроницаемость, не более - 50 %. Установлено, что изготовление такой спецодежды требует применение материалов, обладающих комплексом синергических характерных свойств, таких как - максимально изолирующая способность с одновременно достаточной воздухо- и паропроницаемостью, высокая прочность на раздир и разрыв, малая жесткость, хорошая гигроскопичность и сорбция посторонних частиц, достаточная драпируемость и хороший гриф.
Опыт отечественной и мировой практики показывает, что с производством таких материалов дело обстоит, не совсем благополучно - в настоящее время не существует текстильного материала, который обладал бы нужным комплексом характерных синергических свойств.
В современных условиях возможного биоцидного загрязнения среды используются различные изделия из текстильных материалов, но до сих пор нет чётких требований, предъявляемых к ним.
Известно, что защитные функции изделий определяют материалы, применяемые в их производстве, а качество материалов зависит от показателей, оценивающих их свойства. Однако сведений о показателях, с учетом действующих стандартов сегодня становится недостаточно по причине создания материалов с новыми улучшенными свойствами. К тому же действующие стандарты не дают оценки текстильных полотен с позиций их безопасного применения.
Согласно известных данных литературы [12, 24] и нормативно-технической документации [64-79], а так же рекомендации специалистов Всероссийского центра медицины катастроф (ВЦМК) «Защита» были сформулированы требования к текстильным волокнистым материалам, защищающим человека от биологически активного загрязнения среды.
Среди изделий данного назначения, выделяют три основные группы, характеризующиеся как общими, так и отличающимися требованиями. Наиболее общим для всех изделий, защищающих от биологически активных сред, является требование прочности для обеспечения защиты человека от воздействия агрессивных и белковых сред, патогенной микрофлоры, а так же внешних механических воздействий. Помимо необходимой прочности специальная одежда должна обладать оптимальной деформацией при действии растягивающих усилий и иметь такую долю остаточной деформации, которая позволяла бы сохранять заданную форму изделия во время её эксплуатации.
Развитие научных основ и обоснование структуры, состава и способов производства нетканых полотен для специальной одежды, защищающей от биологически активных сред
Для материалов специальной защитной одежды важное место занимают гигиенические показатели [63]. При изготовлении защитной спецодежды, используемой при техногенных катастрофах и микробном загрязнении, всё большее применение находят многослойные нетканые материалы [57, 112-115]. Содержа разный сырьевой состав лицевого и изнаночного слоев, материалы имеют разные влагопроводные свойства.
Существующие стандартизированные методики определения влажности, гигроскопичности, водопоглощения [116, 117] не позволяют оценить двухстороннюю сорбционную способность и влагопроводность многослойных текстильных материалов и получить объективную характеристику гигиеничности материала.
Предлагается два метода оценки влагосорбционных свойств двухслойных текстильных волокнистых материалов, впитывающих пары влаги с лицевой либо изнаночной сторон [183].
Методика определения влагосорбционных свойств текстильных материалов заключается в поочерёдном контактировании с парами воды лицевой и изнаночной сторонами пробы полотна (см. приложение 2).
В одном случае (метод А) методика испытаний состоит в следующем. В эксикатор со 100% относительной влажностью воздуха (рис. 4.2, а) помещают пробы материала, предварительно высушенные до постоянной массы и закреплённые в специально разработанной рамке стаканчика. Рамка позволяет изолировать от прямого контакта с парами воды, соответственно, изнаночную или лицевую сторону материала. Насыщение образца влагой происходит при поступлении паров, соответственно, с лицевой или изнаночной стороны материала.
В другом случае (метод Б) сорбцию паров воды определяют в условиях перепада влажности по обе стороны пробы образца (рис. 4.2, б).
Методика испытания заключается в следующем. В эксикатор с нулевой влажностью воздуха помещают пробы материала, высушенные до постоянной массы и закреплённые в специальной рамке стаканчика, заполненного дистиллированной водой. При этом сорбция паров воды материалом происходит во время миграции паров влаги из стаканчика через пробу материала, в среду с нулевой влажностью при контакте с насыщенными парами воды лицевой или изнаночной сторонами полотна (рис. 4.2, б).
Устройство подачи жидкости включает ёмкость 8, выполненную в виде сообщающихся сосудов, заполненных жидкостью; мембрану 9 имитирующую мокнущую поверхность, расположенную в ёмкости 8 таким образом, чтобы её наружный уровень обеспечивал подъём жидкости по капиллярам мембраны до поверхности образца. Ёмкость и мембрана размещены на площадке 10 подъёмного устройства 11, способного совершать возвратно-поступательные движения и связанного с блоками управления 12, 13.
Блок 12 управляет подъёмом мембраны к поверхности испытываемого образца и остановки мембраны в момент контакта образца с мокнущей поверхностью. Он содержит два источника питания, управляющее реле, включённое в цепь механизма подъёма мембраны и в цепь механизма остановки мембраны.
Блок 13 осуществляет опускание мембраны за счёт выхода рабочего вещества, например воздуха из внутренней полости подъёмного устройства. Это позволяет автоматически поднимать мембрану к поверхности испытываемого образца на заданное время и по истечении времени опускать мембрану.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что оно содержит имитирующую мокнущую поверхность пористую мембрану 9, расположенную в ёмкости 8 в виде сообщающихся сосудов заполненной жидкостью, наружный уровень которой обеспечивает подъём жидкости по капиллярам мембраны до её поверхности. Ёмкость с мембраной расположена на площадке подъёмного устройства 10, обеспечивающего контакт мембраны с поверхностью образца 9. Высота подъёма мембраны автоматиче ски фиксируется в момент её контакта с образцом, а образец посредством элемента крепления 4-6 и штатива 3 связан с измерительным устройством 1.
Учёт релаксационных свойств мягких волокнистых композитов (тканей, нетканых и трикотажных полотен и других материалов), а, следовательно, их надёжность и долговечность, в значительной мере, определяет качество при эксплуатации и экономичность в производстве изделий специального назначения [121,195].
При выборе материалов для производства изделий того или иного ассортимента и назначения параметры режимов подготовительно-раскройных операций и режимов термомеханических процессов определяются в основном опытным путём. Такой подход нерационален по многим критериям, в частности, по критерию ресурсосбережения, производительности труда, обеспечению качества и защитных функций изделий, так как требует постоянной корректировки параметров работы технологического оборудования и адаптации процессов к реальным условиям производства.
Известны методы и технические решения [118-120] для исследования напряжённо-деформированного состояния (НДС) материалов и релаксации усилий при постоянной деформации. Однако на практике предпочтительнее знать динамику релаксации напряжения при постоянной деформации материала, так как именно этот параметр наиболее точно определяет качество выполнения технологических операций и формоустойчивость изделия при эксплуатации - как основного показателя качества внешнего вида изделия.
В настоящей работе рассматриваются метод и результаты экспериментальных исследований релаксации напряжения при постоянной деформации волокнисто-содержащих композитов посредством использования механических колебаний.
Разработка методов оценки влагосорбционных свойств много слойных нетканых полотен для спецодежды
При выборе материалов для производства изделий того или иного ассортимента и назначения параметры режимов подготовительно-раскройных операций и режимов термомеханических процессов определяются в основном опытным путём. Такой подход нерационален по многим критериям, в частности, по критерию ресурсосбережения, производительности труда, обеспечению качества и защитных функций изделий, так как требует постоянной корректировки параметров работы технологического оборудования и адаптации процессов к реальным условиям производства.
Известны методы и технические решения [118-120] для исследования напряжённо-деформированного состояния (НДС) материалов и релаксации усилий при постоянной деформации. Однако на практике предпочтительнее знать динамику релаксации напряжения при постоянной деформации материала, так как именно этот параметр наиболее точно определяет качество выполнения технологических операций и формоустойчивость изделия при эксплуатации - как основного показателя качества внешнего вида изделия.
Первый этап экспериментальных исследований был связан с тарировкой измерительной схемы стенда. Тарировка схемы была сведена к определению расчётно-экспериментальным путём зависимостей напряжения (сг) и деформации (є) от нагрузки, т.е. [сг = f(P)] и[є = f{P% а также скорости вибрации (V) неоднородной пластины от деформации [F = /(є)] и, наконец, скорости вибрации от напряжения при постоянной деформации, т.е. [F = /(cr)e=co/w/], в итоге представляющей собой тарировочную характеристику.
Методика экспериментального определения зависимостей [є = f(P)] и [Г = /(є)] состояла в следующем. Подвижный конец образца шириной 50мм фиксировали в зажиме 4, а затем для исключения наблюдаемого провисания образца и обеспечения постоянства условий и качества эксперимента посредством груза (G = 0.05H) создавали начальное ограниченное натяжение (Т0).
Затем на длине 150 мм (активная часть образца) скрепляли материал посредством зажима 3 с упругой частью 2 пластины. Подвижный конец образца нагрузочным устройством и зажимом 4 перемещали совместно с ГМК на заданную величину с последующей их фиксацией в заданном положении. Величину нагрузки и деформации определяли по оцифрованным шкалам 6 и 7. Функцию [а = /(Р)] определяли расчётным путём с учётом коррекции поперечного сечения образца вследствие его деформации растяжения.
Деформированный образец, при фиксированном температурно-влажностном режиме, подвергался со стороны зажима 4 механическим колебаниям. Частота колебаний зажима 4, положение и закрепление неподвижного зажима 3 на упругой пластине 2 рассчитывались и выбирались по условиям максимальной чувствительности измерительной схемы, в частности, в по ложении, соответствующем пучностям генерируемой стоячей волны в неоднородной пластине.
Входной вибросигнал от генератора звуковых колебаний 8 с частотой 28 Гц через усилитель 9 поступал на ГМК и зажим 4 образца композита 1, выполняющего функции исследуемого объекта. В ходе процесса релаксации напряжения при постоянной деформации образца изменялись его реологические свойства (условный модуль упругости) и, соответственно, напряжённое состояние, что вело к изменению параметров колебаний зажима 3 и упругой пластины 2. Параметры колебаний зажима 3 воспринимались вибродатчиком 10, сигналы которого поступали в вибропреобразовательный блок 11. Информация, характеризующая релаксацию напряжений, от блока 11 поступала непрерывно через контроллер в блок 12 для дальнейшего расчёта параметров до завершения процесса, фактом чего являлось установившееся состояние выходного сигнала.
Тарировочный график кинетики релаксации напряжения мягких композитов В соответствии с релаксацией напряжения исследуемого образца во времени [сг = /(/)] изменялась фазовая скорость распространения волны в среде, передающей колебания, что являлось обоснованием возможности использования волновых процессов для исследования НДС мягких композитов.
При исследовании предлагаемого метода важно было оценить погрешность измерительного воздействия, т.е. определить влияние измерительного воздействия (непосредственно механических колебаний) на динамику релаксации напряжения образца. Для этих целей были проведены исследования процесса релаксации напряжения при постоянном действии механических колебаний и через фиксированные промежутки времени.
Экспериментальные данные имели расхождения от 4% процентов в начальной стадии процесса релаксации напряжения до 2% в завершающей его стадии, что соизмеримо с погрешностями используемых измерительных приборов и дрейфом начальных значений физико-механических свойств мате риалов. Учитывая, что в технологическом смысле нас интересует в основном конечное время релаксации напряжений при разных режимах обработки всего спектра материалов, обрабатываемых, например, на прессах ВТО, то погрешность по этому показателю следует считать допустимой, чтобы утверждать о достаточно высокой точности предложенного экспериментального метода измерения релаксации напряжения волокнисто-содержащих композитов.
Анализ полученных численных значений и формы экспериментальной зависимости говорит о том, что вид этой зависимости соответствует формуле Кольрауша - Слонимского, применённой Клименко А.Я. при исследовании релаксационных свойств тканей [122], что является экспериментальным подтверждением возможности использования механических колебаний для исследования параметров напряжённо-деформированного состояния волокнистых текстильных материалов.
Таким образом, результаты экспериментальных исследований релаксации напряжения при постоянной деформации мягких волокнисто-содержащих композитов показали, что использование механических колеба ний следует считать одним из перспективных методов исследования напряжённо-деформированного состояния легкодеформируемых материалов.
Предложенная методика исследований и полученные экспериментальные данные позволяют утверждать, что релаксация напряжения при постоянной деформации для разных материалов представляет собой экспоненциальную функцию с различными коэффициентами, зависящими от характеристик мягких композитов и параметров внешнего воздействия.
В процессе эксплуатации средств защиты человека из нетканых волокнистых материалов на них действуют растягивающие усилия значительно меньше разрушающих. При таком воздействии целесообразно изучение ползучести и релаксационных характеристик [123, 191, 192, 193].
Исходя из значимости данных свойств материалов, в настоящей работе предлагается метод и прибор для изучения ползучести и релаксационных характеристик волокнистых текстильных материалов.
В соответствии с этим были разработаны и изготовлены приборы, научная новизна которых подтверждена патентами РФ № 2251094 и № 2255321 за 2005 г. [124, 125] (см. приложение 1), отличающиеся количеством используемых сельсин-датчиков измерения релаксации усилия.
