Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы проектирования и эксплуатации средств индивидуальной защиты органов дыхания от холода 10
1.1 Анализ влияния теплоизоляции органов дыхания на теплозащитные свойства одежды
1.2 Анализ известных решений и методов проектирования средств индивидуальной защиты органов дыхания от холода 15
1.3 Формирование требований к СИЗОД от холода на основе физиолого-гигиенического анализа 28
1.4 Выбор и обоснование материалов для комплектующих изделий с пассивной и активной теплоизоляцией 33
1.5 Выводы. Цели и задачи исследования 40
2 Процессы теплопередачи в комплектующих изделиях утепленной спецодежды 42
2.1 Сложный процесс теплообмена и теплопередачи в пакете материалов с пассивной теплоизоляцией 42
2.2 Теплопередача между теплоносителями, разделенными цилиндрической стенкой, при различных условиях конвективного теплообмена 52
2.3 Выводы 61
3 Исследования физических свойств материалов и пакетов для комплектующих изделий с пассивной теплоизоляцией 62
3.1 Экспериментальное исследование физических свойств трикотажных и нетканых материалов 62
3.1.1 Исследование гигроскопических свойств полотен 68
3.1.2 Исследование паро- и воздухопроницаемости полотен 73
3.1.3 Исследование теплозащитных свойств полотен 78
3.1.4 Исследование процесса сушки трикотажных полотен 81
3.2 Экспериментальное исследование физических свойств пакетов 83
3.2.1 Исследование влагопоглощагощих и влагопроводящих свойств 84
3.2.2 Исследование паро- и воздухопроницаемости пакетов 101
3.2.3 Исследование теплозащитных свойств пакетов 108
3.2.4 Исследование процессов сушки пакетов материалов 108
3.3 Исследование накопления влаги в материалах и пакетах в процессе эксплуатации 11.4
3.4 Выводы 121
4 Разработка и исследование утепленного многослойного клапана-маски с пассивной теплоизоляцией 124
4.1 Выбор исходных данньтх и разработка конструкции 124
4.2 Определение параметров пакета материалов 126
4.3 Выбор материалов и пакетов и разработка технологии изготовления. 131
4.4 Физиолого-гигиеническая оценка защитной эффективности 134
4.5 Производственные испытания экспериментальных образцов 141
4.6 Выводы 144
5 Разработка и исследование съемного утепленного воротника с активной теплоизоляцией 145
5.1 Исходные данные, разработка конструкции и выбор материалов 145
5.2 Расчет параметров, обеспечивающих в зоне дыхания комфортные условия 154
5.3 Разработка технологии изготовления съем ного утепленного воротника 159
5.4 Исследование защитной эффективности СУ В AT в натурных условиях 164
5.5 Выводы 170
Общие выводы 171
Список использованных источников 173
- Анализ известных решений и методов проектирования средств индивидуальной защиты органов дыхания от холода
- Теплопередача между теплоносителями, разделенными цилиндрической стенкой, при различных условиях конвективного теплообмена
- Исследование гигроскопических свойств полотен
- Определение параметров пакета материалов
Введение к работе
Актуальность темы. Переохлаждение организма человека является одной из основных причин профессиональных заболеваний и, в частности, респираторных, при различных областях деятельности человека в условиях холода. При выполнении строительных, монтажных, ремонтных, аварийных и спасательных работ, в быту и спорте широко используются комплекты теплозащитной одежды, состоящие из предметов, защищающих голову, туловище и конечности человека от пониженных температур окружающей среды. Известно, что в процессе теплообмена организма человека с окружающей средой при изменениях температуры окружающей среды от - 30 до - 64С и энергозатрат от 90 до 590 Вт теплопотери за счет дыхания составляют от 12,0 до 18,6 % общих теплопотерь организма человека, в связи с чем в настоящее время разработан ряд средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) от холода, применяемых в комплекте с вышеуказанными предметами теплозащитной одежды и представленных в виде респираторов, клапанов, масок, масок-воротников, шлемов и шлемов-масок с пассивной и активной теплоизоляцией. Такой комплексный подход к проблеме защиты организма человека от холода увеличивает защитную эффективность традиционной теплозащитной одежды.
Однако существующие СИЗОД от холода имеют ряд существенных недостатков: увеличенный объем «мертвого» пространства; повышенное сопротивление дыханию вследствие образования конденсата и обледенения тепло-массообменной зоны (ТМОЗ) и отсутствия способов его эффективного удаления; материалоемкость, сложность в изготовлении, недостаточная обзорность, ограничение введении переговоров, неудобства в эксплуатации. От того, насколько обоснованно выбраны материалы, пакеты и конструкции изделий для защиты органов дыхания от холода, зависят важнейшие показатели их качест-
ва, адекватность условиям эксплуатации теплозащитных и эргономических свойств, материалоемкость и себестоимость.
Вышеизложенное подтверждает актуальность данной работы, направленной на проектирование комплектующих изделий утепленной спецодежды для защиты органов дыхания от холода на основе прогнозирования их работоспособности и повышения защитной эффективности.
Цель работы состоит в разработке изделий для защиты органов дыхания от холода с повышенной защитной эффективностью как комплектующих изделий утепленной спецодежды на основе использования научно-обоснованных методов их проектирования и прогнозирования работоспособности.
Достижение поставленной цели реализовано путем решения следующих задач:
анализ проблем проектирования и эксплуатации СИЗОД от холода;
создание конструктивных моделей и разработка теоретических посылок проектирования комплектующих изделий утепленной спецодежды для защиты органов дыхания от холода с пассивной и активной теплоизоляцией;
экспериментальные исследования и определение параметров комплектующих изделий для защиты органов дыхания от холода;
разработка и апробация в производственных и натурных условиях методов проектирования изделий для защиты органов дыхания от холода.
Объектами исследования явились: съемные комплектующие изделия (клапан-маска и воротник) для защиты органов дыхания от холода с пассивной и активной теплоизоляцией и материалы для их изготовления: трикотажные полотна, нетканые прокладочные, утепленной спецодежды материалы верха и подкладки.
Методы и средства исследования. В работе использованы аналитические методы моделирования процессов и объектов и прогнозирования их свойств; экспериментальные методы оценки физических свойств материалов, пакетов и изделий; методы математической обработки результатов экспериментальных наблюдений. Расчет и обработка экспериментальных данных выполнены на ЭВМ и персональном компьютере.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые:
предложена конструктивная модель утепленного многослойного клапана-маски с пассивной теплоизоляцией (УМКМПТ) для защиты органов дыхания и лица от холода и выполнено моделирование процесса теплообмена воздуха подмасочного пространства с окружающей средой, свойств и работоспособности УМКМПТ;
разработана методика расчета параметров пакета материалов УМКМПТ;
предложена конструктивная модель нового способа защиты органов дыхания, лица и шеи от холода - съемный утепленный воротник с активной теплоизоляцией (С У В AT) и моделирование процесса теплопередачи для оценки его работоспособности;
предложена методика расчета параметров СУВАТ при заданных температурах воздуха, подаваемого в зону дыхания и окружающей среды, либо температуры подаваемого воздуха при заданных параметрах СУВАТ и температуре окружающей среды;
получены новые экспериментальные данные по физическим свойствам (гигроскопичности, паро- и воздухопроницаемости, теплопроводности, тепловому сопротивлению, процессу сушки, влагопередаче и влагопоглоще-нию) выбранных трикотажных и нетканых полотен и пакетов, составленных из них.
Практическая значимость работы подтверждена результатами производственной проверки и заключается в том, что:
разработаны и апробированы в строительных предприятиях Республики Саха (Якутия) г. Якутска ООО «СУ - 98» и ООО «Строй НорСервис» методы проектирования комплектующих изделий утепленной спецодежды для защиты органов дыхания от холода с пассивной и активной теплоизоляцией;
разработаны и апробированы УМКМПТ как комплектующее изделие подшлемника под каску для строителей и работников других профессий, работающих на открытом воздухе и закрытых помещениях в условиях холода; проект ТУ и технологический процесс его изготовления в швейных цехах предприятий массового производства одежды, которые рекомендованы к использованию при серийном изготовлении;
разработаны и апробированы СУВАТ, новизна которого подтверждена патентом РФ на промышленный образец № 48590 «Воротник съемный для защиты лица, шеи и органов дыхания»; проект ТУ и технологический процесс изготовления СУВАТ в швейных цехах предприятий массового производства одежды.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на:
научно-технических конференциях «Дни науки-2001» и «Дни науки-2002» Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна;
научно-практических конференциях «Молодые ученые Якутии в стратегии устойчивого развития Российской Федерации» в РГПУ им. А. И. Герцена, г. Санкт-Петербург, 2000 - 2002 г.г;
научно-технической конференции «Современные проблемы теплофизики в условиях Крайнего Севера» в ИФТГТС СО РАН, г. Якутск, 2001 год;
II Северном Исследовательском Форуме «Северное Вече» в НГУ им. Ярослава Мудрого, г. В. Новгород, 2002 год;
научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты естественных наук в изучении, освоении и промышленном развитии северных регионов России» в МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Москва, 2003 год;
заседаниях кафедры конструирования и технологии швейных изделий СПГУТД, 2000 - 2003 г.г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано десять печатных работ, в том числе патент на промышленный образец.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, общих выводов, списка использованной литературы (108 наименований) и 11 приложений. Работа изложена на 172 страницах (без списка литературы и приложений), содержит 62 рисунка и 16 таблиц.
Автор выражает благодарность к. т. н., доценту К. В, Князевой за помощь, оказанную при выполнении этой работы.
Анализ известных решений и методов проектирования средств индивидуальной защиты органов дыхания от холода
Одной из важнейших функций спецодежды является создание у человека комфортных тешюощущений, т. е. нормального теплового состояния, которое поддерживается при определенном тепловом соотношении процессов теплообразования и теплопередачи.
Из уравнения теплового баланса видно, что поддержание теплового равновесия организма человека в условиях холода (при допустимом дефиците тепла в организме) требует уменьшения составляющих правой части уравнения: Q1 K, Оконд, Оисп, Од, что позволит повысить эффективность теплозащитной одежды. Для этого проанализируем роль указанных составляющих в общем процессе теплообмена организма человека с окружающей средой в условиях холода.
Наибольшую долю в условиях охлаждения занимают потери тепла радиацией и конвекцией, которые составляют 73 - 88 % от общих теплопотерь [1 - 3], а также потери тепла через органы дыхания, составляющие до 25 % [1, 4, 5]. Доля кондуктивной составляющей теплоотдачи организма ( весьма незначительна, при приближенных тепловых расчетах этой величиной пренебрегают [6]. Потери тепла на испарение влаги из организма QHcn составляют в среднем 24 - 25 % от всей теплоотдачи организма и для комфортного состояния организма не могут быть менее 20 % [7], поэтому становится очевидным невозможность управления этим видом тешюпотерь для повышения теплозащитных свойств одежды. Следовательно, для повышения эффективности теплозащитной одежды наиболее актуальным является сокращение радиаци-онно-конвективных Qp.K и респираторных Q% теплопотерь.
Следует отметить, однако, что до настоящего времени при проектировании теплозащитной одежды основное внимание уделялось сокращению ра-диационно-конвективных теплопотерь за счет снижения теплопроводности и повышения толщины пакета материалов, при этом почти без внимания оставалась возможность снижения респираторных теплопотерь за счет теплоизоляции органов дыхания. Поэтому представляется перспективным интенсификация защитной эффективности одежды в условиях холода за счет теплоизоляции органов дыхания.
От правильности определения составляющей ( зависит достоверность теплового расчета одежды и СИЗОД, что требует объективных количественных сведений об общих потерях тепла через органы дыхания человека.
Общие потери тепла дыханием (респираторные теплопотери) складываются из теплопотерь организма человека на нагрев вдыхаемого воздуха ) д. и на испарение влаги в легких и с поверхности верхних дыхательных путей О/ д. (насыщения его вдыхаемого воздуха), т. е.
Исследованиями многих авторов [1, 2, 4, 5, 8] показано, что основными факторами, влияющими на общие теплопотери дыханием Qlb являются температура окружающей среды tu и интенсивность физической нагрузки, выражен ная показателем энергозатрат человека Q3T,.
По предложенному математическому описанию проведен расчет величины рд в интервале температур от - 30 до - 64С, соответствующей климатическим условиям Якутии, для состояния покоя (90 Вт) и при работе средней тяжести (290 Вт) и тяжелой (590 Вт). Величины энергозатрат выбраны с учетом физической деятельности, характерной для строителей, на основании работ [I, 10 - 13].
По результатам проведенного расчета построены зависимости общей теплопотери дыханием от температуры среды и физической нагрузки, приведенные на рисунке 1.1, из которых следует, что QA прямолинейно возрастают при понижении температуры окружающей среды от - 30 до - 64С в 1,5 раза, а при увеличении интенсивности физической нагрузки, по сравнению с состоянием покоя, соответственно в 2,0 и 4,0 раза при средней и тяжелой работе. Для оценки влияния теплоизоляции органов дыхания на теплозащитные свойства спецодежды проведен расчет требуемого суммарного теплового сопротивления RE и соответствующей ему толщины пакета материалов 5П.М. комплекта одежды, при защите органов дыхания и без нее. -ЗО
Значения параметров, входящих в уравнения (1.5) и (1.6), были определены для эксплуатации одежды в течение двух часов при температурах - 20 и - 40С и отсутствия ветра в состоянии покоя и при выполнении работы средней интенсивности. При расчетах было принято допущение о том, что теплоизоляция органов дыхания с помощью СИЗОД позволяет повысить температуру вдыхаемого воздуха до комфортного уровня 1ВД. = 22 С [16,17].
Анализ приведенных данных показывает, что в результате комплексной теплоизоляции организма человека, т. е. при разработке комплекта спецодежды с теплоизоляцией органов дыхания можно добиться снижения требуемой теплоизоляции одежды для состояния покоя - на 8,0 4- 11,4 %, для работы средней тяжести - на 12,0 -f- 17,4 %, в зависимости от температуры окружающей среды. Это означает, что обеспечение комфортных условий пребывания человека на холоде возможно за счет меньшего числа слоев утеплителя, что обуславливает меньшую толщину пакета материалов, а значит, материалоемкость, и положительно отражается на эргономических и эксплуатационных свойствах одежды. Уменьшение толщины пакета в области туловища при использовании средств теплоизоляции органов дыхания при te = - 2 О С составляет от 3,7 мм (для работы средней тяжести) до 16 мм (для состояния покоя), что свидетельствует о большей эффективности применения средств теплоизоляции органов дыхания в состоянии относительного покоя. Данные расчета Ri и бп.м для температуры tc = - 40С свидетельствуют о невозможности проектирования одежды для таких условий без предусмотрения защиты органов дыхания. Одежда в этом случае имеет большой вес и толщину и неудобна в эксплуатации.
Следовательно, при теплоизоляции органов дыхания возможно не только предотвращение возникновения респираторных заболеваний, но и существенное повышение комфортности одежды. С другой стороны, при использовании СИЗОД значительно увеличивается время пребывания человека на холоде. Так, при эксплуатации в состоянии покоя одежды, рассчитанной на 2-часовое пребывание при t.c = - 40С с теплоизоляцией органов дыхания и имеющей максимально возможные Ry; = 0,87 м С/Вт и 8ПМ — 36 мм время пребывания человека без СИЗОД сокращается до 1 часа, а при выполнении работы средней тяжести в аналогичных условиях - до 1,3 часа.
Таким образом, результаты проведенного анализа свидетельствуют о возможности значительного повышения эффективности теплозащитной одежды на основе комплексной теплоизоляции организма человека с учетом теплоизоляции органов дыхания.
Теплопередача между теплоносителями, разделенными цилиндрической стенкой, при различных условиях конвективного теплообмена
Задача расчета параметров комплектующего изделия для защиты органов дыхания от холода с активной теплоизоляцией сводится к расчету теплопередачи между теплоносителями, разделенными цилиндрической стенкой, при различных условиях конвективного теплообмена. Рассматривается процесс теплопередачи от теплоносителя, движущегося в круглой трубе, через трехслойную стенку к окружающей среде (рисунок 2.3).
На внешней поверхности трубы теплообмен со средой может происходить либо в условиях свободной конвекции, либо в условиях вынужденной конвекции при поперечном обтекании цилиндра.
Зоны 1 и II рассчитываются по единой схеме со своими исходными данными и схематически представлены на рисунке 2.4. В качестве теплоносителей в ] и 2 случае используется воздух. При теплоотдаче в окружающую среду на наружной поверхности материала теплоизоляции учитывается лучистый теплообмен. Предполагается, что труба достаточно длинная и теплообмен внутри трубы происходит в условиях стабилизированного течения.
Конструктивкая модель комплектующего изделия утепленной спецодежды с активной теплоизоляцией: I - шланг; 2 - воздушный зазор между шлангом и теплоизоляцией; 3 - теплоизоляция шланга; 4 - распределитель; 5 - воздуховод; 6 - воздушный зазор между воздуховодом и теплоизоляцией; 7 - теплоизоляция воздуховода; I - зона шланга; IT - зона воздуховода. теплоноситель 2 с температурой Т2 (окружающая среда) D4 теплоизоляция с теплопроводностью А,3 D3 воздушны й зазор с теплопроводностью М Рг стенка трубы с теплопроводностью к\ Dj теплоноситель 1 с температурой Ті _ Рисунок 2.4 - Модель процесса теплопередачи от теплоносителя 1, движущегося в круглой трубе, через трехслойную стенку к окружающей среде 2.
Режим движения воздуха в трубе может быть ламинарным, переходным или турбулентным и определяется величиной критерия Рейнольдса. Если Re ЯОщ,ш. = 2300, то движение в трубе носит ламинарный характер; в области значений Яекрмт. Re 10 имеет место переходный режим движения; при Re 104 турбулентный характер движения воздуха.
При ламинарном режиме движения воздуха внутри трубы теплоотдача определяется факторами как вынужденного, так и свободного движения, поэтому в критериальных формулах фигурируют критерии, характеризующие как вынужденное (Re), так и свободное (О) движение воздуха.
При турбулентном режиме движения воздуха внутри трубы перенос теплоты внутри воздуха осуществляется в основном путем перемешивания. При этом процесс перемешивания воздуха протекает настолько интенсивно, что по сечению ядра потока воздуха температура практически постоянна. На основе анализа и обобщения результатов различных исследований для расче -та средней теплоотдачи воздуха установлена следующая зависимость [68] Nu = 0,018Rel8 (2.47)
В змеевиках действие центробежного эффекта на интенсификацию теплоотдачи распространяется на всю длину трубы. В поворотах же и отводах центробежное действие имеет лишь местный характер, но его влияние распространяется и дальше. За счет увеличения турбулентности потока в последующем за поворотом прямом участке трубы теплоотдача всегда несколько выше, чем в прямом участке до поворота. 1 Рассчитывают тепловое сопротивление R2.4 от внутренней стенки шланга к наружной поверхности теплоизоляции с помощью зависимостей (2.33) -(2.35). 2 Определяют коэффициент теплоотдачи а і от воздуха, протекающего в шланге, к внутренней поверхности шланга по формуле (2.48). 3 Находят тепловое сопротивление R] от воздуха к внутренней поверхности шланга из уравнения (2.36). 4 Рассчитывают коэффициент теплоотдачи 0 от наружной поверхности материала теплоизоляции в окружающую среду с помощью формулы (2.3). 5 Определяют тепловое сопротивление Rj от наружной поверхности теплоизоляционного материала к окружающей среде по (2.37). 6 Находят суммарное тепловое сопротивление Rv от воздуха, протекающего в шланге, к окружающей среде с помощью зависимости (2.32). 7 Рассчитывают тепловой поток Q идущий от воздуха, протекающего в шланге к окружающей среде по формуле (2.31). 8 Определяют температуру Тю.нар наружной поверхности теплоизоляционного материала с помощью зависимости (2.58). 9 Находят среднюю температуру Т1ШХ воздуха на выходе из шланга из уравнения (2.60). 10 Рассчитывают величины параметров воздуховода по пп. 1-9. 11 Общие теплопотери Qo6 складываются из тепловых потоков идущих от воздуха, протекающего по шлангу и воздуховодам к окружающей среде. 12 Рассчитывают тепловое сопротивление материала теплоизоляции шланга Ri и воздуховодов Rn по формуле (2.59). 13 Находят температуру воздуха Твых, подаваемого в зону дыхания (2.62). Таким образом, предложенная методика позволяет проектировать комплектующее изделие утепленной спецодежды с активной теплоизоляцией для защиты органов дыхания от холода с требуемыми свойствами для определенных условий эксплуатации.
Исследование гигроскопических свойств полотен
Способности трикотажных и нетканых полотен поглощать и отдавать водяные пары и воду, т. е. гигроскопические свойства оценивали показателями: гигроскопичности и водопоглощения. Гигроскопичность это характеристика способности материала сорбировать пары воды из воздуха, имеющего относительную влажность 98 % [80, 82] н = К,-тс )Ю0 (33) тс где тв э масса образца, выдержанная в эксикаторе при относительной влажности 98 %, г; те - масса образца после высушивания до постоянного веса, г. Вододоглощение - характеристика количества влаги, поглощенной материалом при его полного погружении в воду [80, 82] Вп = K-mc)lOQ (3 4) тс где гав - масса влажного образца, г.
Испытания гигроскопичности и водопоглощения трикотажных и нетканых полотен проведены в соответствии с ГОСТ 3816 - 81 [83]. По результатам экспериментов, представленных в таблице 3.2, построены диаграммы гигроскопичности и водопоглощения полотен, приведенные на рисунках 3.5 и 3.6. Таблица 3.2 - Показатели физических свойств материалов Волокнистый состав, % Переплетение Толщина, К, мм Поверхностная плотность, Р„ г/лґ Пористость, И, % Гигроскопичность, Н, % Водопо-глоще-ние,вп, % Коэффициент паро-проницае-мости, Вь г/(м2ч) Относительная паро-проницае-мость,Во, % Воздухопроницаемость,Вр, дм /(м с) Коэффициент теплопроводности, X, Вт/(м К) Тепловое сопротивление,R, м2К/Вт.
Из диаграммы рисунка 3.5 б видно, что гигроскопичность обращов нетканых полотен составляет: иглопробивного полотна из ПЭ волокон - 0,4 %, многослойного термоскрепл енного полотна из П.П волокон 0,1 %. Малые способности нетканых полотен к поглощению влаги обусловлены отсутствием гидрофильных групп в полиэфирных и полипропиленовых волокнах полотен. Образцы трикотажных полотен переплетения ластик и полуфанг незначительно отличаются по величинам гигроскопичности. Высокими сорбци-онными свойствами обладают образцы трикотажных полотен, выработанные из шерстяной пряжи переплетениями ластик и полуфанг соответственно 15,7 и 16,2 % (рисунок 3.5 а). Это связано с наличием в макромолекулах волокон шерсти сильнополярных гидроксильных групп, создающих высокое силовое поле, которое притягивает и удерживает молекулы воды. Наибольшие показатели гигроскопичности имеют образцы трикотажных полотен, выработанные из синтетической (ПАН и ПЭ) и шерстяной пряжи переплетениями соответственно ластик и полуфанг - 7,1 и 7,2 %, что связано с наличием в полотне 25 % шерсти, который обладает высокими сорбционными свойствами. Образцы смесовых трикотажных полотен, выработанные из синтетической пряжи (ПАН и ПА) переплетениями ластик и полу фанг имеют низкий показатель гигроскопичности соответственно 4.0 и 4,4 %. Малую гигроскопичность имеют образцы трикотажных полотен, выработанные из ПАН пряжи - 2,4 %. Анализ построенных диаграмм на рисунке 3.5 а показал, что гигроскопичность трикотажных образцов из ПАН пряжи в 6,6 раз ниже, чем у образцов из шерсти. Отсюда можно сделать вывод, что сорбционные свойства трикотажного материала в значительной степени зависят от природы, волокнистого состава применяемого сырья и способности его к набуханию. Как известно, синтетические (ПАН, ПА, и ПЭ) волокна относятся к группе гидрофобных волокон, а натуральные (шерсть) - к группе гидрофильных волокон.
Результаты испытаний (рисунок 3.6 а) показали высокие показатели во-дотюглощения образцов трикотажных полотен, выработанных из шерстяной пряжи переплетениями ластик и полу фанг - 289 и 347 %, что связано с высокими сорбционными свойствами волокон шерсти, их способностью к набуханию, а также со структурой трикотажного полотна. Сравнивая результаты испытаний на водопоглоіцение образцов трикотажного полотна переплетений ластик и полуфанг, приходим к заключению, что этот показатель в основном зависит от объемности и рыхлости структуры трикотажного образца. Образцы трикотажного полотна с минимальной плотностью вязания; т. е. более рыхлые набирают воду лучше, чем плотные. При этом значительная часть воды не поглощается волокнами; а распределяется свободно вокруг каждого волокна и пряжи. Из рисунка 3.6 а видно, что образцы трикотажного полотна двойного прессового переплетения полуфанг, т. е. более объемные, чем образцы трикотажного полотна переплетения ластик набирают воду в 1,2 раза лучше.
Из диаграммы рисунка 3.6 б видно, что показатели водопоглощения образцов нетканых полотен несколько ниже. При непосредственном соприкосновении образца нетканого иглопробивного полотна из ПЭ волокон с водой 191 % воды поглощается как путем диффузии ее молекул в полимер, так и путем механического захвата ее частиц структурой полотна. Наименьшей показатель водопоглощения (33 %) имеет образец термоскрепленного нетканого полотна из ПП волокон, что связано с плотной и плоской структурой полотна, ее гладкой поверхностью, большей плотностью расположения волокон, что затрудняет проникания молекул воды в глубь полотна.
Для определения паропроницаемости трикотажных и нетканых полотен [77, 84] сосуд с водой плотно закрывают испытываемым материалом и помещают в камеру с относительной влажностью воздуха 65 % и температурой 36С на 4 часа. По величине массы воды, испарившейся через образец полотна, рассчитывают коэффициент паропроницаемости, Bh, г/(м2 ч), показывающий, какое количество водяных паров проходит через единицу площади три котажного или нетканого полотна в единицу времени [77]
Сравнивая полученные данные (рисунок 3.7 а) по паропроницаемости образцов трикотажных полотен переплетений ластик и полуфанг, замечаем, что наибольшие показатели коэффициента имеют образцы трикотажных полотен переплетения полуфанг, что связано с их объемной структурой и меньшей плотностью. Образцы трикотажных полотен переплетения полу фан г незначительно отличаются по величинам паропроницаемости. Наибольший показатель паропроницаемости из них имеет образец трикотажного полотна из ПАН пряжи - 49,1 %, что связано с наличием большого количества сквозных пор. Образцы смесовых трикотажных полотен переплетения полуфанг имеют примерно одинаковые показатели паропроницаемости: образец полотна из синтетической (ПАН и лавсан) и шерстяной пряжи — 45,5 %, образец трикотажа из ПАН и ПА пряжи - 47,5 %. Образец трикотажного полотна, выработанного из шерстяной пряжи имеет паропроницаемость - 41,7 %.
Показатели паропроницаемости образцов нетканых иглопробивного и термоскрепленного полотен составляют соответственно 32,8 и 26,5 % (рисунок 3.7 б). Меньшая величина паропроницаемости образца термоскрепленного нетканого полотна очевидно связано с большой плотностью и многослойно-стью структуры полотна, состоящего из различных по толщине и хаотично расположенных волокон ПП.
Анализ полученных данных показывает, что вид переплетения трикотажного полотна оказывает существенное влияние на его воздухопроницаемость (рисунок 3.8 а). Так, прохождение воздуха через образцы трикотажных полотен переплетения полуфанг в среднем 2 раза больше, чем у образцов трикотажных полотен переплетения ластик. Такая зависимость объясняется увеличением размеров сквозных пор в структурах трикотажных полотен переплетения полу фанг при уменьшении его поверхностной плотности и увеличении пористости. Из диаграммы рисунка 3.8 а видно, что содержание синтетических волокон в образцах трикотажных полотен несколько повышает их воздухопроницаемость, что объясняется более гладкой поверхностью полимерных волокон в сравнении с шерстяным, снижающей аэродинамическое сопротивление пор полотна при прохождении воздушного потока. При этом вид синтетического волокна оказывает незначительное влияние на изменение воздухопроницаемости трикотажного полотна.
Полученные данные (рисунок 3.8 б) свидетельствуют о том, что на воздухопроницаемость образцов нетканых полотен существенное влияние оказывают их структуры, определяющие количество и размеры сквозных пор. Образец нетканого иглопробивного полотна из тонких лавсановых волокон с большей толщиной и рыхлой структурой имеет большое число сквозных пор и соответственно большую воздухопроницаемость по сравнению с тонким плотным термоскрепленным нетканым полотном, изготовленным из разных по толщине ПП волокон.
Определение параметров пакета материалов
В соответствии с методикой, предложенной в разделе 2.1, выполнен расчет параметров пакета материалов для УМКМПТ. Основываясь на выводах 3 главы, для пакета выбраны материалы: теплоизоляционный слой трикотажное полотно, выработанное из ПАН пряжи и ялагопроводящий нетканое полотно из ГШ волокон.
В качестве исходных данных для расчета параметров пакета материалов использованы сведения, приведенные в таблице 4.1.
Начальным этапом предложенной методики проектирования пакета материалов является определение эффективного коэффициента теплопроводности влагопроводящего слоя, используемого при формировании пакета с заданными свойствами. При этом структурную модель нетканого полотна из ПП волокон принимаем как многокомпонентную систему с взаимопроникающими компонентами из твердого каркаса и пор, заполненных жидкостью Уж, воздухом Vr и жидкостью с парами \/Г1Ж. Расчет коэффициента теплопроводности ц нетканого полотна проводим в четыре этапа последовательным сведением многокомпонентной системы к двухкомпонентной с взаимопроникающими компонентами і и]. На первом этапе по (2.18) определяем теплопроводность 3,026 х 0,809 + (1 - 0,809) Для определения эффективного коэффициента теплопроводности теплоизоляционного слоя, используемого при формировании пакета с заданными свойствами, структурную модель трикотажного полотна, выработанного из ПАН пряжи принимаем как трехкомпонентную систему из волокон, воздуха и влаги. Расчет коэффициента теплопроводности Хш трикотажного полотна из ПАН пряжи проводим в два этапа последовательным сведением трехкомпо-нентной системы к двухкомпонентной с взаимопроникающими компонентами JHJ.
На основании полученных результатов проведенных экспериментов, изложенных в главе 3 и выполненных расчетов в разделе 4,2, проведен выбор материалов и пакета для УМКМПТ.
Рекомендуемый пакет, состоит из теплоизоляционного слоя трикотажное полотно, выработанное переплетением полуфанг из ПАН 100 % пряжи, влаго проводящего - нетканое многослойное термоскреп ленное полотно из ПП волокон и подкладки из хлопчатобумажной ткани (например, бязь), которая выполняет функцию гигиенического слоя. Влагосборник изготавливается из нетканого полотна, выработанного из гидрофильного волокна. Длл крепления клапана-маски к подшлемнику выбрана текстильная лента (застежка) «вел-кро». Характеристики рекомендуемых материалов и пакета для проектируемого УМКМГТТ приведены в таблицах 4.2, 4.3.
Наименование Областьприменения Ар-ти кул Ширина, м Количества нитей на 10 см Содержание волокон, % основа уток основа уток
Полотно трикотажное переплетения полуфанг теплоизоляционныйСЛОЙ ПАН100 Полотно нетканое термоскрепленное влагопро-водящий слой ПП100 Полотно нетканое иглопробивное влагосборник Хлопок 100 Бязь гладкокрашеная подкладка 56643 80 275 228 Хлопок 100 Хлопок 100
Текстильная лента «велкро» застежка - - - - - Допускается применение других материалов и пакетов, по физическим свойствам не ниже указанных в таблицах 4.2, 4.3 и обеспечивающих соответствие клапанов-масок всем требованиям ТУ (приложение 3).
Технология изготовления УМКМПТ заключается в следующем. Выкраивают по лекалу теплоизоляционный и влагопроводящий слои, влагосборник и подкладку. Верхний срез теплоизоляционного слоя окантовывают тесьмой или косой бейкой, а верх подкладки - застрачивают швом вподгибку закрытым срезом. Затем теплоизоляционный слой складывают с подкладкой изнанкой внутрь, уравнивая срезы, и окантовывают по боковым и нижнему срезам тесьмой или косой бейкой на стачивающей машине (рисунок 4.1).
Технологическая последовательность изготовления УМКМГТТ и подшлемника под каску выполнена в соответствии с современной промышленной технологией поузловой обработки специальной одежды [95] и методическими рекомендациями [96] и приведена в приложении 4.
Разработанный УМКМПТ и рекомендуемый подшлемник под каску не являются сложными по конструкции и технологии изготовления, не требуют специального оборудования и могут быть изготовлены на швейных предприятиях массового производства изделий с использованием современной техники и технологии.
