Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современные представления о влиянии трибоэлектрических свойств материалов на электростатическую безопасность обуви ! 1
1.1 Физические характеристики электростатического поля и его
воздействие на технологические процессы 11
1.1.1 Физические характеристики электростатического поля, накопление, релаксация и нейтрализация зарядов в материалах ^
1.1.2 Последствия воздействия электростатических полей на технологические процессы и технические системы 23
1.2 Воздействия электростатических свойств на здоровье человека 30
1.3 Пути повышения комфортности и электростатической безопасности обуви 33
1.3.1 Совершенствование конструкции обуви с антистатическим эффектом 33
1.3.2 Нормативно-техническая документация, регламентирующая величины электростатических полей 38
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ 43
ГЛАВА 2 Разработка метода исследования трибоэлектрических свойств обувных материалов 46
2.1 Приборы для изучения электростатических свойств обувных
материалов 46
2.1.1 Измерение поверхностной плотности зарядов 46
2.1.2 Измерение потенциалов заряженных тел 50
2.1.3 Устройства, используемые для придания электрического заряда материалам 52
2.2 Методики и установки для изучения электростатических свойств обувных материалов 54
2.3 Обоснование динамического метода измерения накопления и релаксации электростатического заряда на образцах материалов при трении 57
2.4 Динамический метод измерения трибоэлектрических свойств обувных материалов 58
2.5 Установка для исследования трибоэлектрических свойств материалов при отрицательных температурах 64
2.6 Автоматизированная экспресс-методика измерения времени релаксации электростатического заряда 69
2.7 Выбор контактных пар 72
ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ 74
ГЛАВА 3 Исследования трибоэлектрических свойств обувных материалов для верха обуви 75
3.1 Материалы для наружных деталей верха обуви 75
3.1.1 Натуральные кожи 75
3.1.2 Искусственные и синтетические кожи 81
3.1.3 Войлоки 85
3.2 Материалы для внутренних деталей верха обуви 91
3.2.1 Натуральный мех 91
3.2.2 Искусственный мех 94
3.2.3 Текстильные подкладочные материалы 97
ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ 101
ГЛАВА 4 Исследование влияния технологических и климатических факторов на трибоэлектрические свойства на примере нетканых валяльных материалов 103
4.1 Основные требования к материалам утеплителей для антистатической обуви пригодной к использованию в условиях Крайнего Севера 103
4.2 Определение зависимости показателей трибоэлектрических свойств нетканых валяльных материалов от рецептурно-технологических параметров и климатических условий 106
4.2.1 Влияние состава исследуемых материалов и климатических условий 106
4.2.2 Влияние процесса модификации и вида модификатора... 112
4.3 Анализ результатов экспериментальных исследований и разработка практических рекомендаций по сырьевому составу различных видов антистатической обуви 123
Выводы по четвертой главе 129
Общие выводы по работе 131
Перечень принятых сокращений 135
Библиографический список
- Физические характеристики электростатического поля, накопление, релаксация и нейтрализация зарядов в материалах
- Устройства, используемые для придания электрического заряда материалам
- Искусственные и синтетические кожи
- Определение зависимости показателей трибоэлектрических свойств нетканых валяльных материалов от рецептурно-технологических параметров и климатических условий
Введение к работе
Актуальность темы. Во всем мире проводятся разработки различных средств, обеспечивающих защиту человека от воздействия статического электричества. Последствия воздействия трибоэлектрических явлений на технологические процессы и технические системы связаны с «человеческим фактором», когда заряд, накопившийся на теле человека, приводит к выходу из строя чувствительных микросхем или электронных блоков, возникновению пожаров, взрывов нефтепродуктов и легковоспламеняющихся жидкостей. Например, европейские промышленные эксперты оценивают ежегодную потерю денежных средств из-за электростатических разрядов до 8 млрд. долларов. Доля ежегодных потерь изделий оценивается до 30% от объема выпуска. Повышенный уровень электростатического поля (ЭСП) вызывает невротические и психосоматические заболевания. Необходимость регламентации уровня ЭСП на рабочих местах и на поверхности полимерных материалов очевидна. Самый легкий путь избежать нежелательных проявлений статического электричества - это предупредить электризацию.
Одним из методов защиты работающих в условиях действия ЭСП, является обеспечение стекания зарядов с тела человека через специальную обувь, называемую антистатической. Для уменьшения электростатического поля предлагаются как материалы для антистатической обуви, так и различные конструкторские инновации. Однако только совершенствование конструкции не решает проблему повышения комфортности и электробезопасности обуви. Необходим комплексный подход. В настоящее время актуальность приобретают следующие исследования:
разработка экспериментальных методов измерений электростатических показателей обувных материалов для различных климатических условий;
- разработка рекомендаций для формирования нормативной базы при производстве и эксплуатации антистатической обуви;
- разработка предложений по формированию оптимального сырьевого состава бытовой и антистатической обуви различного назначения, в том числе для использования в условиях Крайнего Севера;
- создание базы данных трибоэлектрических показателей обувных материалов;
- разработка расчетных моделей, позволяющих прогнозировать накопление электростатического заряда на теле человека в зависимости от трибоэлектрических и электропроводящих свойств обувных материалов и условий их эксплуатации.
Цель работы. Основной целью настоящей работы является разработка динамического метода исследования трибоэлектрических свойств обувных материалов, построение модели накопления и релаксации электрических зарядов на теле человека с учетом электропроводящих свойств низа обуви для прогноза антистатических характеристик при проектировании и изготовлении бытовой и специальной обуви
Для достижения поставленной цели в работе:
проанализировано современное состояние рассматриваемой проблемы;
- изучены существующие методики оценки трибоэлектрических свойств материалов;
- обоснованы основные требования к трибоэлектрическим и электропроводящим свойствам обувных материалов;
разработан новый экспериментальный метод измерений электростатических показателей обувных материалов для различных климатических условий;
- разработана экспресс-методика измерения времени релаксации электростатического заряда на поверхности обувных материалов для оценки их антистатического качества;
- изучено влияние климатических и технологических факторов на трибоэлектрические свойства материалов на примере войлоков;
- разработаны модельные представления для оценки уровня накопления зарядов статического электричества при использовании различных материалов и конструкций обуви;
- проведена апробация полученных результатов.
Объекты и методы исследования. При исследовании трибоэлектрических свойств обувных материалов применялись современные испытательные климатические комплексы с использованием высокочувствительных датчиков ЭСП, микропроцессорной и компьютерной техники. Поставленные в работе задачи решались с учетом теоретических и практических основ физики, конструирования и технологии обуви, материаловедения, а также методов математической статистики.
Научную новизну работы определяют:
1. Разработанный динамический метод экспериментального исследования трибоэлектрических свойств обувных материалов, позволяющий измерять динамику накопления и релаксации поверхностной плотности заряда о при взаимодействии разнородных материалов в широком интервале температур - от -50°С до +60°С;
2. Созданная автоматизированная экспресс-методика измерения времени релаксации заряда т с поверхности деталей обуви, позволяющая оптимизировать состав материалов и конструкцию специальной обуви, удовлетворяющей критериям электростатической безопасности;
3. Впервые разработанная расчетная модель, позволяющая на основе экспериментальных данных прогнозировать накопление электростатического потенциала на теле человека для типовых конструкций, изготовленных из различных обувных материалов;
4. Впервые экспериментально изученное влияние отрицательных температур (от 0°С до -35°С) на трибоэлектрические свойства войлоков.
Практическая значимость работы.
1. Разработанный экспериментальный стенд может использоваться в учебном процессе, а также в дальнейших исследованиях при оценке трибоэлектрических свойств и разработке документов, регламентирующих методики исследования электростатических параметров обувных материалов.
2. Разработанная автоматизированная экспресс-методика измерения времени релаксации заряда с поверхности деталей обуви позволяет проводить рациональный выбор материалов при проектировании специальной обуви.
3. Рассчитанные на основании предложенной математической модели области электростатической безопасности позволяют провести рациональный выбор материалов при проектировании специальной обуви, обеспечивающей компромиссные требования электрической и электростатической безопасности при воздействии экстремальных условий во всем диапазоне температуры эксплуатации (от -50°С до +60°С), вызывающих повышенную интенсивность и энергию искровых разрядов.
4. Полученные базы данных по трибоэлектрическим свойствам современных обувных материалов позволят повысить эргономические и гигиенические показатели проектируемой обуви.
Вклад автора. Изложенные в работе результаты получены автором лично или в соавторстве при его участии.
На защиту автор выносит следующие положения:
1. Конструкцию экспериментального стенда, позволяющего проводить измерения накопления заряда при трении различных сочетаний обувных материалов в диапазоне температур от -50°С до +60°С.
2. Динамический метод определения параметров, характеризующих трибоэлектрические свойства материалов.
3. Результаты экспериментальных исследований факторов, влияющих на электризацию материалов.
4. Расчетную модель прогнозирования накопления электростатического потенциала на теле человека.
5. Рекомендации по конструкции и сырьевому составу антистатической обуви различного применения.
Апробация работы и публикации.
Основные положения диссертации и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на:
1. Заседаниях кафедры технологии изделий из кожи Московского государственного университета дизайна и технологии;
2. 56-ой научной конференции студентов, молодых ученых «Молодые ученые - XXI веку» (г. Москва, 13-16 апреля 2004 г.);
3. 57-ой научной конференции НИДС, «Молодые ученые - XXI веку», посвященной 75-летию университета (г. Москва, 19-22 апреля 2005 г.);
4. Научной сессии МИФИ-2006 (г. Москва, 23-27 января 2006 г.);
5. 58-ой научной конференции студентов, молодых ученых «Молодые ученые - XXI веку» (г. Москва, 11-14 апреля 2006 г.).
Полученные результаты внедрены в учебный процесс на кафедре «Технология изделий из кожи» Московского государственного университета дизайна и технологии: опубликованы учебные пособия для специальностей 28.11.00, 28.12.00 и направления 55.39.00 «Трибоэлектрические свойства обувных материалов», «Обзор методов и средств для определения трибоэлектрических свойств материалов».
Публикации. Основные положения проведенных исследований опубликованы в шести печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и по работе в целом, библиографического списка и приложения. Объем диссертации составляют 158 страниц машинописного текста, включая 35 рисунков, 31 таблицу. Библиография содержит ПО наименований. Приложение представлено на 7 страницах.
Физические характеристики электростатического поля, накопление, релаксация и нейтрализация зарядов в материалах
Почти любое перемещение в природе сопровождается проявлением статического электричества. Это физическое явление известно человечеству с древнейших времен. Однако до сих пор не разработана единая теория, объясняющая причины его возникновения [1].
За несколько веков до нашей эры учеными Древней Греции было установлено, что после натирания янтарных предметов к ним начинают притягиваться легкие тела. От греческого «янтарь» - «электрон» и произошло название «электричество».
В конце 16 столетия английский ученый Гильберт обнаружил, что, кроме янтаря, свойство притягивать легкие тела приобретают при трении и многие другие вещества, например, стекло, сера, смола. Явление возникновения таких свойств у тел было названо электризацией. Электризацию тел объясняли появлением на теле электрического заряда. Было установлено два типа электрических зарядов. Эти заряды противоположны друг другу в том смысле, что наэлектризованное тело притягивается одним из них и отталкивается другим.
Один из этих зарядов условно назвали положительным, другой отрицательным. За положительный был принят заряд, появляющийся при электризации стеклянной палочки трением о шелк. Заряд же, появляющийся на смоляной, каучуковой палочке при ее трении о мех, был назван отрицательным зарядом [2].
Для характеристики источников электростатического поля (ЭСП) в точке пространства, существует характеристика напряженности электростатического поля (Е). E = F/Q, (1.1) где F - сила, действующая на неподвижный точечный положительный электрический заряд; Q - величина заряда, Кл. Напряженность электрического поля может быть постоянной или переменной. Поверхностная плотность электрических зарядов на материале рассчитывается по формуле o = Q/S, (1.2) где Q - величина заряда, Кл; S - площадь поверхности материала, м2. Применяемые в производстве изделий легкой промышленности материалы в зависимости от их способности проводить электрический ток делят на проводники (с омическим сопротивлением 0...105 Ом), полупроводники (10 ... 10 Ом) и диэлектрики (10 ... 10 Ом). В качестве критерия данной классификации материалов является омическое сопротивление R или удельное объемное сопротивление ри [3].
Выражение для удельного объемного сопротивления получается из соотношения: R = p„e/Sn, (1.3) где р„ - удельное объемное сопротивление, Ом х м; С - длина проводника, м; Sn - площадь сечения проводника, м2. Удельная объемная проводимость вещества равна: 5=1/ Ри, (1.4) Поверхностное объемное сопротивление вычисляют по формуле Ps = K2Rx, (1.5) где К2 - безразмерная постоянная прибора; Rx - измеряемое поверхностное сопротивление, Ом. Объемное удельное сопротивление вычисляют по формуле pu = S3R x/h, (1.6) где S3 - площадь контакта измерительного электрода, м ; R x - измеренное объемное электрическое сопротивление, Ом; h - толщина пробы материала, м.
Способность жидкостей и твердых тел накапливать опасные электростатические заряды, прежде всего, зависит от их удельного и поверхностного сопротивления. Непроводящие и плохо проводящие материалы, склонные к накоплению электростатического заряда, имеют удельное объемное сопротивление не ниже 10 Ом хм и удельное поверхностное сопротивление не ниже 1012 Ом. К таким материалам относятся пластмассы, резина, нефть, бензин, текстиль и др.
Чаще всего заряды сами по себе постепенно разряжаются, и их присутствие становится незаметным. Но при определенных условиях заряд в диэлектриках может оставаться длительное время и даже увеличиваться {накапливаться) [4]. Уровень накопленного в них статического электричества зависит в первую очередь от сочетания предметов, находившихся в контакте, электропроводности материалов, размера и количества точек соприкосновения, а также от скорости разъединения предметов.
Поле, создаваемое заряженной областью в материале, всегда пропорционально значению заряда. Со временем происходит стекание заряда, вызываемое наличием определенной проводимости заряженного тела.
Частицы и другие носители зарядов обеих полярностей распределены в материале равномерно, поэтому вещество электрически нейтрально. Разрушение этого нейтрального состояния может привести к тому, что вещество станет заряженным. Это означает, что в основе электризации лежит нарушение условий равновесия зарядов. Разделение зарядов вызвано различными процессами [5].
Устройства, используемые для придания электрического заряда материалам
Метод измерения удельного объемного и поверхностного электрического сопротивления обувных материалов представлен в ГОСТ 25937 - 83 «Материалы обувные. Метод определения удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений» [86]. Испытания проводятся на установке, состоящей из датчика и измерителя электрических сопротивлений - тераомметра Е6-13А или ЕК6-7. Показатели удельного объемного и поверхностного электрического сопротивления определяют на пробах материалов только с гладкой поверхностью [87].
Методика измерения поверхностного и объемного сопротивления текстильных материалов представлена в ГОСТ 19616 - 74 «Ткани и трикотажные полотна. Метод определения удельного поверхностного электрического сопротивления». Испытания проводятся на приборе системы ВНИИТГХВ марки ИЭСТП-1 для определения поверхностного электрического сопротивления ткани и трикотажных полотен. Он включает два самостоятельных блока: датчик и измеритель электрического сопротивления [88].
Существует несколько методик измерения поверхностного заряда образцов. Одна из них представлена в МУК 4.1/4.3.1485 - 03 «Гигиеническая оценка одежды для детей, подростков и взрослых». Электризуемость определяют по величине напряженности электростатического поля (кВ/м) [89].
Для изучения электризации обувных материалов известен метод [90], принцип действия которого основан на трении скольжения пары материалов, измерении напряженности электростатического поля и определения знака образующихся зарядов. Установка состоит из прибора для осуществления электризации материалов трением и стандартного измерителя напряженности электростатического поля марки ИНЭП-1 с выносным датчиком. Прибор и датчик измерителя помещены в герметичную камеру для изоляции внутрикамерной среды от окружающей. Для проведения испытаний внутри камеры имеется несколько отверстий с нарукавниками, на концах которых предусмотрены резиновые перчатки.
Устройство для измерения электростатического заряда при трении [91] применяется в химической промышленности. Оно содержит электрический двигатель, тефлоновую подложку для испытуемого образца, над которой расположен симметрично натирающий элемент и измерительный датчик, связанный с электрометром и пишущим устройством.
Устройство для измерения электростатического заряда при трении [92] используется для изучения пленочных материалов. Оно включает измерительную камеру с блоком создания искусственного климата, расположенные в камере измеритель поля электрического заряда, узел закрепления исследуемого образца, узел создания электростатического заряда и привод.
В диссертационной работе Таточенко И.М. [93] представлен экспериментальный стенд для исследования электризуемости одежных материалов. Стенд позволяет размещать испытуемый образец текстильного материала на измерительной площадке, которая изолирована с помощью фторопластовых опор. Под плоскостью площадки размещен датчик измерителя напряженности ЭСП типа ИНЭП-1, который установлен под поверхностью измерительной пластины, а не над поверхностью образца. Это не позволяет измерять поверхностную плотность заряда на образце. Электростатический заряд на изолированной фторопластовыми опорами измерительной пластине только накапливается и не стекает, что не соответствует реальным условиям накопления и релаксации. Такие выводы подтверждаются тем, что в работе Таточенко И.М. хлопчатобумажная ткань (100%) накапливает заряд, в результате которого ЭСП достигает значительной величины (Е = 130 кВ/м), а это противоречит литературным данным [6, 12]. Кроме того, испытуемый материал в работе Татотченко И.М. электризуется о поверхность измерительной площадки и при этом накапливает дополнительный заряд, учесть который не представляется возможным.
Таким образом, существует ограниченное число методик определения трибоэлектрических свойств материалов. Некоторые из них либо морально устарели, так как основаны на использовании измерительных средств с низкими метрологическими характеристиками, серийный выпуск которых прекращен [90-93], либо определяют ограниченное число характеристик (удельное, объемное сопротивление) [86, 88]. К основным недостаткам рассмотренных методов исследования трибоэлектрических свойств материалов следует отнести следующие: - отсутствует техническая возможность непрерывной регистрации динамики изменения ЭСП на поверхности образца; - метрологические характеристики испытательных стендов не позволяют корректно регистрировать параметры ЭСП (поверхностная плотность заряда и т.д.); - отсутствует возможность изучения трибоэлектрических свойств материалов в различных климатических условиях.
Поэтому необходимо разрабатывать новые экспериментальные методики, позволяющие измерять электростатические показатели для обувных материалов в различных условиях их эксплуатации. Кроме того, современные приборы для измерения параметров ЭСП созданы на базе микропроцессорной техники, которая повышает производительность и точность измерений, позволяет автоматизировать процесс измерений и обработку полученных данных.
Искусственные и синтетические кожи
Результаты проведенных испытаний показаны на рисунке 3.4.
Оказалось, что разница между равновесными показателями напряженности ЭСП искусственных кож образцов № 12-15 незначительна, а напряженность ЭСП на образце № 11 при взаимодействии с хлопчатобумажной тканью составляет практически 6 кВ/м. Это значение выбивается из общей картины и, скорее всего, причина отличия не связана с толщиной, видом основы или поверхностной плотностью образца.
Влияние прикладываемого давления к контактной паре на электризуемость образца отражено на рисунке 3.5. При этом зафиксирован линейный рост электризуемости поверхности образца на 20-25 % при изменении давления в диапазоне 0,56-1,65 кПа.
В таблице 3.4 представлены сводные данные трибоэлектрических свойств искусственных кож, полученные при давлении на контактной паре, равном 0,56 кПа. Анализ данных показывает, что вся группа испытанных образцов искусственных кож при электризации приобретает отрицательный заряд. Известно, что при производстве искусственных кож в полимерное покрытие добавляют антистатические присадки. Присадки взаимодействуют с парами воды и образуют на поверхности материала структурные элементы токопроводящего слоя, ускоряя при этом процесс стекания электрических зарядов. Возможно, разница в электризуемости различных образцов определяется количеством и качеством антистатических присадок.
Трибоэлектрические свойства испытанных образцов натуральных и искусственных кож отличаются незначительно. Величина напряженности ЭСП искусственных кож находится в диапазоне 0,5-6 кВ/м. При взаимодействии искусственных кож с хлопчатобумажной контактной парой величина напряженности ЭСП в среднем на 15-20 % больше, чем со смесовой контактной парой. Это вполне объяснимо - искусственные материалы больший заряд накапливают при взаимодействии с натуральными материалами, и наоборот. Испытаниями показано, что величина напряженности ЭСП практически не зависит от материала полимерного покрытия (полиуретана, поливинилхлорида). Постоянная времени релаксации заряда с поверхности образцов искусственных кож колеблется в диапазоне 6-30 секунд.
Войлочная обувь обладает наиболее высокими теплозащитными и теплоизоляционными свойствами, благодаря которым предохраняет стопу от воздействия низких температур до -50 С. Волокна шерсти регулируют влажность изделия в зависимости от влажности окружающей среды. Находясь в свободном состоянии в воздушной среде, волокна способны вбирать в себя дополнительную влагу, а при нарушении температурного баланса выделять ее из изделия.
Для исследований трибоэлектрических параметров нами взяты образцы наиболее часто применяемых в обувной промышленности войлоков (таблица 3.5). Условия испытаний и методика подготовки образцов войлока были аналогичны условиям, представленным в подразделе 3.1.1 для натуральных кож.
На рисунке 3.6 представлены равновесные величины напряженности ЭСП, полученные при исследовании войлоков.
Испытания показали, что электризуемость образцов войлока в несколько раз (5-6) превышает электризуемость образцов натуральных и искусственных кож. Напряженность ЭСП на поверхности образцов войлоков достигает в двух случаях (№ 19 и 22) пороговой величины 30 кВ/м, а подпороговая величина 15 кВ/м наблюдается практически у всех войлоков (кроме № 16) в основном со смесовой контактной парой (рис. 3.6). Для образцов № 18 и № 19 прослеживается зависимость увеличения напряженности ЭСП от толщины войлока.
Типичные зависимости напряженности ЭСП войлоков от давления представлены на рисунке 3.7. Обнаружен явный рост величины напряженности ЭСП с увеличением значения прикладываемого давления, который носит линейный характер.
Для этого необходимо расширить количество испытанных образцов. Но задача наших испытаний заключалась в общей оценке трибоэлектрических свойств войлоков. Предварительный анализ полученных данных показал, что уровень электризации образцов войлока зависит, прежде всего, от процентного соотношения тонкого качественного волокна к грубой и полугрубой шерсти. Чем больше тонких и полутонких волокон, тем больший поверхностный заряд накапливается на войлоке. Заряд, накапливаемый войлоком, имеет положительную полярность, это подтверждается литературными данными [3].
Испытания войлоков показали, что величина напряженности ЭСП находится в диапазоне 5-35 кВ/м, а это превышает пороговую величину (образцы № 19 и 22) и подпороговую величину (все образцы, кроме № 16). При взаимодействии войлоков со смесовой контактной парой величина напряженности ЭСП больше, чем с хлопчатобумажной тканью во всех случаях (кроме № 17). При увеличении давления на образец войлока напряженность ЭСП неизменно увеличивается на 20-30 %. Это, вероятнее всего, происходит из-за того, что волокна шерсти войлока спрессовываются, увеличивая при этом эффективную поверхность взаимодействия с материалом контактной пары. Постоянная времени релаксации заряда у всех образцов войлоков велика и достигает - 6-40 мин. Это связано с природой волокон шерсти - заряд быстро накапливается и медленно стекает.
Таким образом, наши исследования [94, 100-102] материалов для наружных деталей верха показали, что накоплению зарядов статического электричества наиболее подвержены войлоки (Е = 5-35 кВ/м). Натуральные кожи электризуются мало (1,2-3 кВ/м), диапазон напряженности ЭСП у искусственных кож составляет 0,5-6 кВ/м.
Определение зависимости показателей трибоэлектрических свойств нетканых валяльных материалов от рецептурно-технологических параметров и климатических условий
Известно, что процессы хранения, перекачки и переработки газообразных и жидких продуктов в нефтегазовом комплексе и других отраслях промышленности характеризуются взрыво- и пожароопасностью. Часто источником разряда статического электричества является человек [103]. Физическая опасность аварии возникает, когда в пространстве газообразной смеси нефтепродукта с воздухом происходит искровой процесс. Разряды статического электричества возникающие между телами зависят от: степени наэлектризованное тела, зазора между телами, состава среды, давления, ионизирующих излучений и других факторов [104]. Самый легкий путь избежать нежелательных проявлений статического электричества - это предупредить электризацию одежды и обуви персонала.
Рассмотрим климатическую ситуацию Крайнего Севера на примере полуострова Ямал, район Ямбург. Освоение этого района в последнее время стремительно развивается, нефтегазовый комплекс продвигается на север, где климатические условия являются экстремальными. Для района Ямбурга характерна суровость погодных условий - сочетание низких температур и сильных ветров [105].
Средняя температура самого холодного зимнего месяца января -25С, в отдельные зимние дни температура понижается до -44С, минимальная температура -48,2С. Абсолютный минимум температуры по Ямало Гыданскому региону в наиболее холодные зимы достигает -52С, а иногда и -63С.
Согласно графику годового хода температуры (рис. 4.1) переход температуры через 0С к положительным значениям происходит в середине мая (средняя дата окончания заморозков 20 мая), к отрицательным значениям в середине сентября (средняя дата наступления заморозков 18 сентября). Средняя годовая температура составляет - 8,ГС. Период наблюдений - 1995 -1999 годы, число наблюдений 8004.
В условиях низких температур в атмосферном воздухе содержится малое количество водяного пара, поэтому наружная часть обуви сильно электризуется по сравнению с частями обуви, прилегающими к стопе, где влажность существенно выше за счет теплового излучения кожи человека. В случае если детали обуви выполнены из ткани с низкой электропроводностью, то между наружными и внутренними деталями обуви, сопротивление утечки составляет более 109 Ом. В этих условиях скорость релаксации зарядов статического электричества на поверхности обуви снижается в 50 - 100 раз. Соответственно повышается потенциал зарядов статического электричества на наружных деталях обуви по сравнению с внутренними [98].
Кроме основных требований, предъявляемых к обуви воздухопроницаемость, гигроскопичность, стойкость к истиранию и разрывным нагрузкам, водоотталкивание, к специальной обуви, используемой в нефтегазовом комплексе, необходимо соблюдения особых требований. Специальная обувь для работы во взрывоопасных условиях должна обладать антистатическими свойствами, огнестойкостью, стойкостью к агрессивным средам (маслостойкость и нефтеотталкивание). Как правило, в конструкции обуви используется утеплитель, способный обеспечивать оптимальный микроклимат обувного пространства для эксплуатации в экстремальных условиях Крайнего Севера.
Самая большая проблема, которая так и остается не достаточно исследованной - это утеплители. Специфика взрывоопасного производства не позволяет использовать смесовые ткани. Утеплитель, на 50% состоящий из шерсти и на 50 % из синтетических волокон, не пригоден для специальной обуви из-за значительной электризации даже в нормальных условиях. В последнее время разрабатывается технология создания новых модифицированных чистошерстяных материалов с гидрофобными и негорючими пропитками.
Анализ трибоэлектрических характеристик, полученных для различных образцов войлоков (раздел 3.3) при нормальных условиях, показал, что эти материалы даже в условиях воздействия положительных температур имеют высокую степень электризации (Е = 5-35 кВ/м) и значительное время релаксации заряда (т = 6-40 мин). Одним из возможных вариантов снижения трибоэлектрических показателей войлока является их модификация путем применения полимерных пропиток или новых методов обработки, как исходного сырья, так и готовых материалов. Модификация дает реальный шанс сделать войлок конкурентоспособным материалом при изготовлении зимней антистатической обуви, пригодной к применению на взрывоопасных производствах.
Похожие диссертации на Исследование влияния трибоэлектрических свойств обувных материалов на комфортность и электростатическую безопасность обуви
