Разработка структуры и исследование свойств пакетов материалов терморегулируемой утепленной одежды для людей с ограниченными возможностями движения

УДК 677. 017.8                                         

Формирование без барьерной среды для людей с ограниченными возможностями движения (ЛОВД) ‒ является стратегической задачей Российской Федерации. Комплексное решение проблемы адаптации, реабилитации и социальной защиты позволит ЛОВД принять активное участие в общественной жизни государства и встать на один уровень со здоровыми людьми, а значит, быть полноценными членами современного общества [1]. Известно, что люди с ограниченными возможностями движения в большей степени подвержены риску перегрева в жаркую погоду и обморожения в холодное время года [2]. Повышенные требования к параметрам окружающей среды формируют так называемые термальные физиологические ограничения (ТФО), которые отражены в стандарте ГОСТ Р 53453-2009 [3]. Особенности здоровья ЛОВД негативным образом влияют на качество их жизни, в значительной степени ограничивают самостоятельность и мобильность. Роль адаптационной одежды состоит в формировании реабилитационного эффекта, повышении безопасности, комфорта и самостоятельности, в том числе при выполнении различных передвижений по улице. В этом смысле создание надежной и комфортной одежды для ЛОВД является актуальным. Анализ моделей теплозащитных изделий для ног показал, что подавляющее большинство составляют модели, произведенные из водонепроницаемого материала верха с использованием подкладки как из натуральных тканей (смесовых шерстяных), так и искусственных тканей и меха. В некоторых моделях в качестве дополнительного утеплителя используется синтепон разной толщины [6‒9]. Поэтому исследования данной работы были направлены на разработку структуры и исследование свойств пакета материалов утепленной одежды с терморегулируемыми свойствами, за счет применения электрообогреваемого композиционного текстильного материала (ЭОКТМ) [4, 5].

В данной работе представлен способ промышленного производства ЭОКТМ (рис. 1), согласно которому первый текстильный материал ‒ текстильная основа 1, ткань или нетканое полотно из натуральных, химических или смесовых волокон любой поверхностной плотности, например, ткань арт. 210 (100 % Хл) или поликоттон (50 % ПЭф 50 %Хл) поверхностной плотности 110 г/м2, устойчивые к многократным изменениям температуры, прочные и легкие, подают на кардоленту 2 с иглами по левому и правому краям.

Рисунок 1 – Схема способа производства, разработанного электрообогреваемого композиционного текстильного материала

Электропроводящий слой 7 формируют из любого металлсодержащего или углеродсодержащего материала в виде проволоки, или нити, или жгута, или ленты с сопротивлением 1,4‒2,9 Ом, приходящемся на 1 м2 образца. Углеродная нить линейной плотности 205 или 400 текс с удельным поверхностным сопротивлением 120 и 240 Ом/м, соответственно, и удельным электрическим сопротивлением 8,5∙10-5 Ом∙м.

Электропроводящая углеродная нить 7 с бобины 3, установленной в бобинодержатель 4, через направляющее устройство 5 подается на нитеукладчик 6, который укладывает ее синусоидально между иглами кардоленты 2 на текстильную основу 1, с расстоянием между рядами 30 мм.

Сверху располагают второй покрывной слой 8 ‒ термоклеевой прокладочный материал тканый или нетканый из натуральных, химических или смесовых волокон, например термоклеевой прокладочный материал флизелин клеевой G405 или арт. 56650 (100 % ПЭф) поверхностной плотности 65 г/м2 или дублерин клеевой арт. 514 (100 % Хл) поверхностной плотности 125 г/м2, с односторонним клеевым покрытием из любого термопластичного полимера, полиэтиленового, полиамидного, акрилового или другого полимера или сополимера, клеевым покрытием вниз, который подается по направляющим роликам 9.

Сформированный пакет материалов дублируют на прессе 10 проходного типа или на каландре при температуре на 15‒20 оС выше температуры плавления клеевого адгезива, в течение 20 с, под давлением 0,04 МПа. В результате углеродная нить надежно фиксируется в структуре ЭОКТМ. Готовый материал 11 наматывается на приемный вал 12. На прессе проходного типа под давлением и температурой происходит соединение слоев текстильных материалов клеевым термопластичным полимером. При этом электропроводящий слой прочно фиксируют между двумя текстильными диэлектриками из натуральных и химических волокон, образуя структуру многослойного электропроводящего обогревающего текстильного материала. Температура и давление процесса выбирают с учетом теплостойкости текстильных материалов и температуры плавления клея. Для акрилового сополимера АКР-622 с температурой плавления 80 оС рекомендуют температуру поверхности подушек пресса 100‒105 оС, для сополиамида марки «Платамид» (Германия) с температурой плавления 120‒125 оС рекомендуют температуру поверхности подушек пресса 140‒145 оС, время прессования – 20 с и давление 0,04‒0,05 МПа.

С учетом запросов потребителей и длины прессующей поверхности каландра или проходного пресса, ширина многослойного электропроводящего обогревающего текстильного материала может варьировать в широких пределах от 20 до 100 см и более, за счет замены кардоленты с требуемым расположением игл по ширине полотна.

Таким образом, способ получения многослойного электропроводящего обогревающего текстильного материала достаточно прост и экономичен. Предложенный вариант реализации способа не требует больших площадей и может быть организован как на текстильном, так и на швейном производстве.

На предприятии ООО «КВН СЕРВИС» была создана опытно-промышленная установка по разработанному способу производства ЭОКТМ и наработаны три вида опытных образцов. Структура первого образца состоит из: 1 слой – хлопчатобумажная ткань арт. 210 из 100 % хлопка, поверхностной плотности 110 г/м2, ширина 50 см, отбеленная, полотняного переплетения; 2 слой – углеродная нить линейной плотности 205 текс, уложенная синусоидально на 1 слой; 3 – слой термоклеевой прокладочный материал флизелин клеевой G405, из 100 % полиэфирных волокон, соединенных термоскреплением, поверхностной плотности 65 г/м2, клеевое покрытие полиамидное, ширина 50 см.

Структура второго образца отличается от первого тем, что 2 слой – углеродная нить используется линейной плотности 400 текс.

Структура третьего образца состоит из: 1 слой – иглопробивное клееное нетканое полотно Сюнт, арт. 934501, поверхностной плотности 100 г/м2, вырабатывают из смеси полиакрилонитрильных (30 %), полиамидных (40 %) и вискозных (30 %) волокон, скрепленных синтетическим латексом. Ширина полотна 50 см (без клеевого покрытия); 2 слой – углеродная нить линейной плотности 205 текс, уложенная синусоидально на 1 слой; 3 – слой термоклеевой прокладочный материал флизелин клеевой G405, так же, как в первом и втором типе структуры ЭОКТМ.

Формирование разных структур продиктовано поиском оптимального состава и рационального конфекционирования при проектировании изделий легкой промышленности. Характеристики свойств разработанных электрообогреваемых композиционных текстильных материалов, полученных в производственных условиях по разработанной технологии, представлены в таблице 1.

Исследование физико-механических свойств, разработанных ЭОКТМ, показало, что образец № 3, полученный на основе нетканых полотен, обладает невысокой прочностью при растяжении, поэтому может рекомендоваться для изделий, не испытывающих большие нагрузки при эксплуатации, например, в качестве обогреваемых укрывных изделий.

Таблица 1 – Характеристики свойств, разработанных электрообогреваемых композиционных текстильных материалов

Характеристики свойств	Показатели свойств
	Образец № 1	Образец № 2	Образец № 3
Состав структуры ЭОКТМ	Ткань арт.210 (100 Хл), УН-205, флизелин клеевой G405	Ткань арт.210 (100 Хл), УН-400, флизелин клеевой G405	Нетканое полотно Сюнт арт. 934501 (30ПАН,40ПА,30ВВ), УН-205, флизелин клеевой G405
Поверхностная плотность, г/м2	195	225	200
Прочность клеевого соединения, Н/см	8,3	8,3	7,9
Разрывная нагрузка, даН, основа/ уток	67,5/73,5	68,1/79,4	15,9/29,5
Жесткость при изгибе, мкН·см2, основа/уток	4200/4610	4524/4925	5060/5345
Воздухопроницаемость, дм3/м2с	230	228	148
Относительная паропроницаемость, %	35,8	35,4	29,8
Расстояние между рядами углеродной нити, мм	30	30	30
Температура поверхности образцов ЭОКТМ, оС	33,3	28,5	33,5

Образцы № 1 и № 2 характеризуются высокой прочностью при растяжении и прочностью при расслаивании клеевого соединения слоев ЭОКТМ, что обеспечит надежную фиксацию УН в структуре материала и сохранение ее целостности при эксплуатации готовых изделий. ЭОКТМ достаточно гибкий, и по жесткости отвечает требованиям, предъявляемым к прокладочным материалам верхней одежды. Высокая паропроницаемость и способность пропускать воздух обеспечат выведение капиллярной влаги пододежного пространства.

Аккумулятор имеет три режима обогрева. Температура поверхности на первом режиме в течение 1 минуты обеспечивает нагрев до температуры 25,5‒26,0 оС. Переключая малогабаритный аккумулятор Li-PO (3S) во второй температурный режим, можно повысить температуру до 33,5‒34 оС, режим III ‒ до 39‒40 оС. Учитывая, что образец № 1 по массе на 30 г/м2 легче образца № 2, и стоимость углеродной нити линейной плотности 205 текс дешевле, то выбор образца № 1 для дальнейших исследований является более предпочтительным.

Выбор материалов в пакет термообогреваемого изделия-чехла (ТОЧ) для ЛОВД выполнялся с учетом требований ГОСТ Р 53453-2009 [3], а именно двух основных требований: во-первых, ТОЧ должен обеспечивать тепловой комфорт, отвод тепла от нагревателя в окружающую среду должен быть минимальным, температура пододежного пространства должна быть стабильной и комфортной; во-вторых, ТОЧ в готовом виде должен соответствовать эксплуатационным и эргономическим требованиям стандарта, в том числе обеспечивать защиту от осадков и ветра, быть прочным и удобным в эксплуатации.

Для формирования структуры пакетов материалов ТОЧ в качестве внешнего слоя использовали инновационную мембранную ткань арт. С911 с водоотталкивающей пропиткой, устойчивой к загрязнениям, с низкой воздухопроницаемостью и малой массой. Высокая водоупорность и водонепроницаемость мембранной ткани защитит внутренние слои и прежде всего ЭОКТМ от влаги. В качестве утепляющего слоя, из всего многообразия утеплителей одежды [10, 11], выбрали нетканый объемный утеплитель – «Холлофайбер» СОФТ ПРИМ ZP 8391 и Холлофайбер СОФТ Р 5198 поверхностной плотности 100 и 200 г/м2, соответственно. В качестве подкладочного слоя – трикотажное полотно поларфлис с двухсторонним ворсом из 100 % полых полиэфирных волокон, что придает ему хорошие теплозащитные и сорбционные свойства, поверхностной плотности 300 г/м2 (Китай). В качестве терморегулируемого обогревающего слоя использовали ранее разработанный ЭОКТМ [5], подключенный к литиевому аккумулятору массой 250 грамм.

Разработанные пакеты материалов, представленные в таблице 2 – структура и свойства пакета материалов, содержат терморегулируемый материал, который располагали между подкладочным слоем и утеплителем (пакеты № 1 и 2), между двумя слоями утеплителя (пакет № 3) и между подкладочным и двумя слоями утепляющего материала (пакет № 4).

Таблица 2 ‒ Структура и свойства пакета материалов

№пакета	Состав слоев пакета материалов	М s , г/м2	δ, мм	λ, Вт/(м∙K)	R сум , м2·К/Вт
Пакет № 1 /       7/7—“ 2 ^• у x>yjr~w >'to— 7 /—— з AX X. X--- 4	1 ‒ Мембранная ткань арт. С911	135	13,5	0,0409	0,341
	2 ‒ Холлофайбер СОФТ ПРИМ ZP 8391	100
	3 ‒ Обогревающий материал ЭОКТМ	180
	4 ‒ Подкладка ‒ поларфлис	300
Пакет № 2 /      //7— 2 '^2^Г2^2^2У/^— з /X X. ^/    4	1 ‒ Мембранная ткань арт. С911	135	17,4	0,0369	0,484
	2 ‒ Холлофайбер СОФТ Р 5198	200
	3 ‒ Обогревающий материал ЭОКТМ	180
	4 ‒ Подкладка ‒ поларфлис	300
Пакет № 3 /                 2 /—7---7---^ L               4 /\ ""X Xf     5	1 ‒ Мембранная ткань арт. С911	135	24,3	0,0321	0,771
	2 ‒ Холлофайбер СОФТ Р 5198	200
	3 ‒ Обогревающий материал ЭОКТМ	180
	4 ‒ Холлофайбер СОФТ ПРИМ ZP 8391	100
	5 ‒ Подкладка - поларфлис	300
Пакет №4 /       //7711 '—7—7—"У    ^ ■- у-^У'У? уч•/ У^- 4 /X X X   5	1 ‒ Мембранная ткань арт. С911	135	24,0	0,0319	0,778
	2 ‒ Холлофайбер СОФТ Р 5198	200
	3 ‒ Холлофайбер СОФТ ПРИМ ZP 8391	100
	4 ‒ Обогревающий материал ЭОКТМ	180
	5 ‒ Подкладка ‒ поларфлис	300

Примечания: М s ‒ поверхностная плотность, δ ‒ толщина, λ ‒ теплопроводность, R сум ‒ суммарное тепловое сопротивление.

Результаты исследований показали, что при выключенном обогревающем ЭОТКМ теплозащитные свойства пакетов материалов определяются их толщиной. Образец № 1 и № 2 с одним слоем утеплителя Холлофайбер СОФТ ПРИМ ZP 8391 массой 100 г/м2 и Холлофайбер СОФТ Р 5198 массой 200 г/м2 не обеспечивают требуемой теплозащиты зимней одежды, суммарное тепловое сопротивление поясных изделий должно быть не меньше 0,50 м2·К/Вт (ГОСТ 12.4.303-2016) [13], поэтому пакеты материалов № 1 и № 2 могут рекомендоваться только для демисезонной верхней одежды.

Исследование эффективности расположения обогревающего ЭОКТМ полотна в структуре пакета материалов № 3 и № 4, состоящих из двух слоев утеплителя Холлофайбер массой 200 и 100 г/м2 каждый, показало, что расположение ЭОКТМ в структуре пакета не оказывает существенного влияния на теплопроводность и суммарное тепловое сопротивление. При этом оба пакета материалов позволяют рекомендовать их эксплуатацию в условиях третьего климатического пояса (Rсум допустимо от 0,57 до 0,799 м2·К/Вт).

Исследования теплозащитных свойств пакетов материалов с включенным обогревающем ЭОТКМ проводили по аналогии с методикой, описанной в работе [12]. Для этого на специально подготовленных образцах ЭОКТМ каждому пакету материалов придавали цилиндрическую форму и фиксировали ее ниточным соединением машинной строчки. При этом предварительно на верхний срез мембранной ткани настрачивали кулису с вложением эластичного шнура. Затем стачивали нижний срез пакета материалов так, чтобы не повредить углеродную термообогревающую нить, предварительно вкладывая между слоями пакетов материалов датчики температуры на одном уровне по схеме (рис.2).

ткань верха

датчики температуры

Рисунок 2 – Схема расположения датчиков температуры в пакете материалов

Для исследования процесса охлаждения имитатора тела человека ‒ сосуда с водой. В подготовленные таким образом образцы пакетов материалов помещали емкость 0,5 л с водой, нагретой до 36,5 ± 0,5 оС, имитируя таким образом модель тела человека, одетого в зимнюю одежду. Обогревающий элемент собранной системы присоединяли к аккумулятору.

Между поверхностью сосуда и пакетом материалов образуется воздушная прослойка не более 3 мм. Датчики температуры также располагали на подкладке со стороны сосуда и на мембранной ткани с внешней стороны пакета одежды. Датчики температуры передают данные на компьютер и записываются в программе Excel. Затем включали аккумуляторную батарею на режим II и нагревали ЭОКТМ до постоянной температуры 34 оС, о чем свидетельствовали показания датчиков 2 и 3. Подготовленные модели-имитаторы помещали в климатическую камеру WT-360, охлажденную до температуры (-10) оС.

Сравнительную оценку теплоизолирующей способности разных пакетов материалов определяли по темпу охлаждения поверхности сосуда с водой (рис. 3).

Результаты исследований показали, что при температуре в криокамере (-10 оС) процесс охлаждения имитатора тела человека, одетого в пакет материалов № 1 и № 2 с одним слоем утеплителя и нагревом ЭОКТМ до 34 оС, происходит с одинаковым темпом, и через 180 мин температура пододежного пространства снижается до температуры нагрева ЭОКТМ (34 оС), как для пакета № 1 с утеплителем массой 100 г/м2, так и для пакета № 2 с утеплителем массой 200 г/м2 (рис. 2). Это позволяет сделать заключение о возможности применения утеплителя в 1 слой для зимней теплозащитной одежды, при условии использования терморегулируемого обогревающего полотна ЭОКТМ.

Рисунок 3 ‒ Динамика изменения температуры в структуре пакета материалов № 1 и № 2 с включенным ЭОКТМ при температуре окружающей среды (-10 оС): 1, 2, 3, 5, 6 ‒ датчики температуры по слоям пакета материалов

Полученное уравнение вида: у = -0,0174τ + 36.694 позволяет прогнозировать изменение температуры пододежного пространства, у , ^о С , и теплозащитные свойства одежды при более длительном, τ , мин, пребывании в условиях температуры (-10) ^оС.

Отмечено, что ЭОКТМ обеспечивает достаточно равномерное распределение температуры по обе стороны, как в сторону подкладки, так и в сторону утеплителя. При этом в течение 40 минут утеплитель

Холлофайбер СОФТ ПРИМ ZP 8391(датчик 3, пакет № 1) и в течение 100 минут утеплитель Холлофайбер СОФТ Р 5198 стабильно поддерживают температуру на уровне температуры обогревателя (пакет № 2). В дальнейшем температура постепенно снижается на 3‒4 градуса, даже не смотря на высокую теплопроводность мембранной ткани (датчик температуры № 5). Охлаждение имитатора тела человека, одетого в пакет материалов № 3 и № 4 с двойным слоем утеплителя и нагревом ЭОКТМ до 34 оС, при температуре в криокамере (-10 оС) практически не происходит и остается на уровне 37‒36,5 оС. Утеплитель в два слоя не зависимо от расположения ЭОКТМ в структуре пакетов № 3 и № 4, более стабильно поддерживают температуру пододежного пространства.

Разработанный ЭОКТМ можно рекомендовать для изготовления изделий не только для ЛОВД, но и для широкого ассортимента изделий: различной специальной и бытовой одежды ‒ термообогреваемых жилетов, курток, комбинезонов, перчаток, стелек для обуви и других целей; изделий бытового и технического назначения ‒ обогреваемых многослойных простыней, одеял, подушек для автомобилей и т. п.; медицинских изделий специального назначения ‒ электрообогреваемые комплекты для машин скорой помощи, пояса для больных радикулитом и другие изделия; походные подогреватели продуктов питания, в том числе детского.

ВЫВОДЫ

• 1.    Разработан электрообогревающий композиционный текстильный материалов, который обеспечивает регулируемый тепловой комфорт пододежного пространства зимней утепленной одежды.

• 2.    Разработана структура и исследованы теплозащитные свойства пакетов материалов с термообогревающим композиционным текстильным материалом.

• 3.    Доказана высокая теплозащита разработанного терморегулируемого изделия и возможность его применения в изделиях для людей с ограниченными возможностями движения, а также изделий различного назначения.