Теплозащитные свойства комплексных мембранных материалов в условиях увлажнения

УДК 677.017: 687.173                                      DOI:

Тепловое сопротивление материалов является ключевым показателем теплозащитных свойств одежды из них, характеризующим интенсивность прохождения теплового потока через плоский пакет материалов одежды в окружающую среду (Бринк И. Ю., Богданов В. Ф. и др., 2016). Наибольшее значение оценка показателей теплозащитных свойств имеет при проектировании демисезонной и зимней одежды (Соколова А. С., Кузнецов А. А. и Надежная Н. Л., 2016). Анализ требований, установленных российскими и зарубежными стандартами к теплозащитной одежде, показал, что тепловое сопротивление пакета материалов также является и основным контролируемым параметром при оценке соответствия (Лукьянова Е. Б., Черунова И. В. и Ташпулатов С. Ш., 2022).

Теплозащитная способность материала находится в прямой зависимости от величины теплового сопротивления, которая в условиях неподвижного воздуха существенно и линейно зависит от его толщины, что доказано экспериментально (Бессонова Н. Г. и Жихарев А. П., 2007). Требуемую величину теплового сопротивления пакета одежды определяют следующие факторы: температура, скорость движения и относительная влажность воздуха окружающей среды; воздухопроницаемость, влажность, теплопроводность пакета одежды; статическое или динамическое состояние человека (Усенбеков Ж.,

Нурбай С. К. и Сеитов Б. Х., 2022).

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к облегчению пакета одежды, в связи с чем для проектирования теплозащитной одежды применяют и комплексные материалы с мембраной (КММ), процессы переноса тепла, поглощения и отдачи влаги в которых существенно зависят от их структуры и мало изучены. Ассортимент КММ, применяющихся при производстве изделий легкой промышленности, постоянно расширяется, особенно это касается материалов верха демисезонной одежды. Популярны трехслойные материалы, в которых мембранный слой расположен между текстильными слоями. Появление и широкое распространение материалов новых структур требует создания рекомендаций по оптимальному их подбору в соответствии с назначением.

Известно, что взаимодействие влаги с материалом может изменять их тепловое сопротивление, существенно влияя на комфорт и функциональность одежды (Бринк И. Ю., Богданов В. Ф. и др., 2016). Во время эксплуатации одежды пакет материалов может увлажняться за счет потоотделения, которое активируется при физических нагрузках, температурных колебаниях и стрессовых состояниях. Влага из пота проникает сквозь структуру материалов, что приводит к изменению теплоизоляционных свойств одежды. Эффективность тепловой защиты обеспечивается не только пассивной теплоизоляцией, но и комбинированными свойствами одежды, в том числе функцией аккумулирования тепла материалами с последующей его отдачей (Черунова И. В. и Лесникова Т. Ю., 2017), а также их сорбционными свойствами (Бесшапошникова В. И., Климова Н. А. и др., 2020). Под воздействием градиента температуры в пористых телах наблюдается термовлагопроводность, т. е. происходит передвижение влаги, что может снижать тепловое сопротивление материалов на 18 % (Ефимов С. С., Старостин Е. Г. и Таппырова Н. И., 2011). Свойство текстиля переносить влагу оказывает глубокое влияние как на эксплуатационные характеристики одежды, так и на тепловой комфорт человека (Ганиева М. Х. и Ташпулатов С. Ш., 2023, с.36). Содержание воды, адсорбированной материалом из паровоздушной среды с относительной влажностью около 100 %, называется гигроскопической влажностью и характеризуется показателем гигроскопичности.

Влияние влажности и сорбционных свойств КММ на их тепловое сопротивление изучено мало. В работе (Иванова Н. Е. и Шустов Ю. С., 2025) показано, что наличие гидрофильной мембраны значительно снижает теплоизоляцию пакета материалов для одежды. Авторами исследования (Бесшапошникова В. И., Климова Н. А. и др., 2020b) экспериментально установлено, что процесс десорбции влаги из пододежного пространства в мембранных материалах начинается через 25–70 минут после начала роста влажности. Это время сопоставимо с продолжительностью носки одежды. Поэтому, как показано в работах (Besshaposhnikova V. I., Klimova N. A. and Kovaleva N. E., 2018; Бессонова Н.Г., 2018) в пододежном пространстве одежды из КММ влажность чаще всего повышена. Для атмосферных условий эксплуатации демисезонной одежды также характерна высокая влажность воздуха, поэтому исследование теплового сопротивления КММ при увлажнении целесообразно.

Требуемое суммарное тепловое сопротивление материалов одежды при среднем уровне физической активности для двухчасового пребывания на открытом воздухе при наружной температуре, характерной для межсезонья, составляет от 0,16 м2·°C/Вт до 0,38 м2·°C/Вт, при этом считается, что «…увлажнение текстильных материалов одежды приводит к резкому падению их теплового сопротивления и сопровождается набуханием, объемной контракцией и выделением тепла» (Колесников П. А., 1971).

Особенности строения КММ, которые могут повлиять на изменение теплозащитных свойств при увлажнении, обусловлены структурой и сорбционными свойствами материала и слоев, входящих в его состав. На основании анализа литературных источников к таким особенностям можно отнести: толщину слоев, их пористость, паропроницаемость и гигроскопичность. Выявление фактора, оказывающего наибольшее влияние на стабильность теплозащитных свойств КММ, позволит разработать рекомендации по области применения материалов различных структур для изготовления демисезонной одежды.

Целью данного исследования является определение факторов, наиболее существенно влияющих на тепловое сопротивление комплексных мембранных материалов для одежды в условиях увлажнения, и оценка значимости этого влияния для рационального подбора материалов в пакет демисезонной одежды.

Методы и средства исследований

Структуру КММ исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ, электронный микроскоп VEGA II LSH с системой энергодисперсионного микроанализа INCA ENERGY 250 ADD с программным обеспечением). Методика исследования структуры по микрофотографии поверхности и поперечного среза материала, полученной методом СЭМ, разработана на основе изложенной в источнике (Склянников В. П., 1984) с дополнениями, учитывающими структурные особенности материалов с мембраной и возможности компьютерной обработки изображений, и изложена в источнике (Панкевич Д. К. и Кукушкин М. Л., 2017). Параметры структуры поперечного среза образцов исследовали с помощью программного обеспечения сканирующего электронного микроскопа. Анализировали следующие характеристики: общая толщина образца, толщина текстильной основы, толщина и структура мембраны.

Состав КММ исследовали методом ИК-спектроско-пии с использованием ИК-спектрофотометра с Фурье-преобразованием Nexus 5700 с программным обеспечением OMNIC 7.1. Испытания проводили в Белорусском республиканском центре зондовой микроскопии Института механики металлополимерных систем имени В. А. Белого НАН Беларуси, г. Гомель.

Для исследования теплового сопротивления использовалась методика, основанная на принципе нестационарного теплового режима. Его сущность заключается в определении времени остывания нагретого тела, изо- лированного от окружающей среды исследуемым материалом, в заданном интервале температур (Петюль И. А. и Сапелко В. В., 2019). Испытания проводили для кондиционированных и увлажненных образцов КММ, применяя следующее оборудование: климатическая камера YTN-408-40-IP; источник питания GW Instek GPS-73030DD; цифровой регистратор температуры производства «EvroPribor»; датчик температуры; нагревательный элемент (вольфрамовый цилиндр длиной 12 см и диаметром 2 см с удельной теплоемкостью 134 Дж/кг·°C); секундомер.

Для проведения испытания были подготовлены пробы из исследуемых материалов в виде прямоугольных конвертов размером (200×150) мм. Нагревательный элемент вместе с датчиком температуры помещали внутрь прямоугольных конвертов из исследуемых материалов. Температуру и время остывания нагретого до 60 °С вольфрамового цилиндра в диапазоне температур 55 °С – 45 °С регистрировали цифровым регистратором «EvroPribor» и секундомером при контролируемых условиях (температура воздуха (20±2) °С, влажность (80±4)%). Параметры воздуха климатической камеры устанавливали с учетом повышенной влажности климата РБ в межсезонье и с целью моделирования необходимого перепада температур воздуха, соответствующего исследуемому диапазону метеопараметров и комфортному теплоощущению человека (Кириллов В. Ф. и Федорович Г. В., 2011).

Образцы кондиционировали до испытания при температуре воздуха (20±2) °С, влажности (65±4) %.

Для увлажнения образцов их выдерживали 0,5, 2, 3, 4 и 6 часов в эксикаторе (температура воздуха (20±2) °С, влажность (98±2) %). Массу образцов определяли до и после увлажнения для расчета процента ∆ _m увлажнения материала по формуле (1):

m - m

∆ m = ^в_m ^к · 100% ,                    (1)

где т в - масса увлажненного образца, г; т_к - масса кондиционированного образца, г.

Суммарное тепловое сопротивление R _сум , м²·°C/Вт, вычисляли по формуле (2):

^R ■ = с • т ,                      (2)

где Sпр – площадь поверхности пробы, через которую совершается теплообмен, Sпр = 0,0216 м2; τ – время остывания нагревательного элемента в заданном интервале температур, с; с - удельная теплоемкость нагревательного элемента, с = 134 Дж/кг°С; m - масса нагревательного элемента, m = 0,1297 кг (Петюль И. А. и Сапелко В. В., 2019).

Определение паропроницаемости КММ выполняли по ГОСТ Р 57514-2017 с помощью прибора W-30 гравиметрическим методом.

Определение поверхностной плотности КММ выполняли по ГОСТ 3811-72. Плотность нитей по основе и по утку для тканых текстильных слоев КММ определяли по ГОСТ 3812-72. Число петельных рядов и число петельных столбиков для трикотажных текстильных слоев КММ – по ГОСТ 8846-87. Гигроскопичность КММ – по ГОСТ 381681, гигроскопичность слоев КММ – по ГОСТ 3816-81 без соблюдения формы и размеров образца, по результатам испытания навесок, содержащих 0,50 г фрагментов разделенных у кромки КММ (несклеенных) слоев.

Результаты исследований

В качестве объектов исследования предложены три образца комплексных трехслойных мембранных материалов с разной структурой слоев (таблицы 1, 2), текстильные слои которых выполнены из полиэфира (ПЭ), мембранные – из полиуретана (ПУ).

Таким образом, в исследовании принимали участие образцы с мембранами двух структур – гидрофобной сетчатой пористой (образец № 2) и гидрофильной монолитной (образцы № 1 и № 3). Лицевая и изнаночная сторона образцов образована текстильными полотнами различных структур и толщины. Структурные характеристики исследуемых образцов материалов, определенные по стандартным методикам и по результатам микроскопии, представлены в таблице 2. СЭМ-изображение поверхности мембраны и поперечного среза образца № 2 представлено на рисунке 1.

Анализ данных таблицы 2 показывает, что образцы № 1 и № 2 существенно отличаются типом (пористостью) и толщиной мембраны, имеют одинаковые изнаночные слои и незначительно отличающиеся лицевые слои. Ожидается, что сравнение теплового сопротивления этих образцов покажет влияние пористости и толщины мембраны на изучаемый показатель. Образцы № 1 и № 3 имеют одинаковые мембраны, незначительно отличающиеся лицевые слои, но существенно разные по толщине и плотности изнаночные слои. Сравнение теплового сопротивления этих образцов покажет влияние структуры текстиля на тепловое сопротивление

Таблица 1 – Характеристика объектов исследования

Table 1 – Characteristics of research objects

Номер образца	Характеристика лицевой стороны материала	Характеристика изнаночной стороны материала	Характеристика мембраны
1	ПЭ ткань полотняного переплетения	ПЭ трикотажное полотно одинарного комбинированного переплетения, полученного сочетанием поперечносоединенного и плюшевого переплетений	ПУ гидрофильная монолитная
2	ПЭ трикотажное полотно переплетения кулирная гладь	ПЭ трикотажное полотно одинарного комбинированного переплетения, полученного сочетанием поперечносоединенного и плюшевого переплетений	ПУ гидрофобная пористая сетчатая
3	ПЭ ткань полотняного переплетения	ПЭ трикотажное полотно двуластичного переплетения с подворсовкой	ПУ гидрофильная монолитная

Таблица 2 – Результаты исследования структуры материалов

Table 2 – Results of the study of the structure of materials

Номер образца	Поверхностная плотность, г/м2	Структура
		текстильного тканого / трикотажного (тр) слоя				мембранного слоя
		толщина (лицо / изнанка), мм	плотность (количество нитей / петель на 10 см)			толщина слоев, мм
			по основе / столбиков		по утку / рядов	пористого	монолитного
1	305	0,31 / 0,72	лицо	520	440	нет	0,04
			изнанка (тр)	130	160
2	328	0,30 / 0,72	лицо (тр)	530	320	0,02	нет
			изнанка (тр)	130	160
3	335	0,30 / 1,20	лицо	510	410	нет	0,04
			изнанка (тр)	140	180

увлажненного КММ.

В таблице 3 отражен анализ результатов исследования сорбционных свойств КММ в комплексе и послойно.

Образцы № 1 и № 2 близки по гидрофильности комплексного материала, образец № 3 существенно отличается. Паропроницаемость материалов различна: для КММ с гидрофильной монолитной мембраной ( № 1 и № 3) коэффициент паропроницаемости не превышает 2000 г/(м^24 ч), для образца № 2 - в два раза выше. Ожидается, что сравнение теплового сопротивления образцов покажет влияние сорбционных свойств КММ и составляющих их слоев на изучаемый показатель.

На рисунках 2–4 представлены диаграммы рассеяния значений теплового сопротивления образцов КММ в зависимости от процента увлажнения (слева) и графики изменения процента увлажнения образцов от времени экспозиции в эксикаторе (справа). Для удобства анализа результатов исследования диаграммы и графики показаны попарно в соответствии с номером образца. Анализ результатов

Анализ результатов испытаний образца № 1 показывает, что значение его теплового сопротивления изменяется при увлажнении. Кондиционированный образец при исследовании во влажном воздухе обладает

Рисунок 1 – Поверхность мембраны (×4500) и поперечный срез (×450) образца № 2

Figure 1 – Membrane surface (×4500) and cross-section (×450) of Sample 2

Таблица 3 – Результаты исследования сорбционных свойств материалов

Table 3 – Results of the study of sorption properties of materials

Номер образца 1 2 3 Гигроскопичность комплексного материала, % 1,23 1,98 3,76 Гигроскопичность лицевого слоя, % 0,65 2,40 3,55 Гигроскопичность изнаночного слоя, % 0,97 0,97 4,63 Гигроскопичность мембраны, % 2,54 1,53 2,54 Коэффициент паропроницаемости, г/(м2·24 ч) 1995 4230 1090 тепловым сопротивлением 0,40 м2·°C/Вт, что несколько выше рекомендуемых значений для демисезонной одежды при средней активности человека. Снижение показателя на 8 % происходит при его увлажнении на 0,5 %, затем при росте процента увлажнения тепловое сопротивление образца повышается и составляет после 6 часов выдержки в эксикаторе 0,40 м2·°C/Вт. Вероятно, при увлажнении гидрофильной монолитной мембраны происходит экзотермическая химическая реакция с выделением теплоты, что компенсирует первоначаль- ное снижение теплового сопротивления. При увлажнении 1,22 % значение теплового сопротивления образца № 1 соответствует начальному уровню. За время опыта (6 часов) образец практически достиг гигроскопической влажности (1,23 %). При этом за первые полчаса выдержки в эксикаторе образец сорбировал 30 % влаги от этой величины. Рост процента увлажнения во времени описывается моделью, представленной на рисунке 2, – интенсивный вначале (около 0,5 % в час) и замедляющийся через час.

Рисунок 2 – Графическое представление результатов испытаний образца № 1

Figure 2 – Graphical representation of the test results for Sample 1

Рисунок 3 – Графическое представление результатов испытаний образца №2

Figure 3 – Graphical representation of the test results for Sample 2

Рисунок 4 – Графическое представление результатов испытаний образца № 3

Figure 4 – Graphical representation of the test results for Sample 3

Диаграмма рассеяния значений теплового сопротивления образца № 2 показывает несколько другую картину: показатель закономерно снижается с ростом процента увлажнения. Кондиционированный образец при исследовании во влажном воздухе обладает тепловым сопротивлением 0,40 м2·°C/Вт, которое затем снижается в течение опыта на 5% и составляет после 6 часов увлажнения 0,38 м2·°C/Вт.

За время опыта образец не достиг гигроскопической влажности (1,98 %). За первые полчаса процент увлажнения составил 25 % этой величины, через 6 часов – 82 %. Рост процента увлажнения в зависимости от времени выдержки в эксикаторе также описывается моделью, представленной на рисунке 3. Повышение уровня теплового сопротивления для образца № 2, содержащего гидрофобную сетчатую пористую мембрану, не выявлено.

Анализ результатов испытаний образца № 3 показывает, что кондиционированный образец при исследовании во влажном воздухе обладает тепловым сопротивлением 0,40 м²·°C/Вт, с ростом процента увлажнения эта величина сначала повышается на 10 %, а затем при достижении увлажнения 2,2 % быстро снижается и составляет после 6 часов опыта 0,38 м²·°C/Вт. В отличие от образца № 1, содержащего такую же мембрану, но менее гигроскопичные текстильные слои, образец № 3, увлажняясь, теряет теплозащитные свойства интенсивнее, хотя обладает большей толщиной. В течение опыта он не достигает гигроскопической влажности (3,76 %): в первые полчаса увлажнение составляет 25 % этой величины, за 6 часов – 72 %. Рост теплового сопротивления наблюдается только в течение первых 3 часов увлажнения.

Результаты показали, что увлажнение влияет на тепловое сопротивление материалов, однако характер изменения различен для образцов КММ с различными сорбционными свойствами. Выявлено, что гигроскопичность оказывает более значимое влияние на тепловое сопротивление КММ в условиях увлажнения, чем толщина. Так, образцы № 1 и № 2 обладают меньшей толщиной по сравнению с образцом № 3 и при увлажнении на 1 % их тепловое сопротивление ниже, что соответствует данным анализа литературных источников о прямой пропорциональности этих величин. Однако, образцы № 1 и № 2 не способны сорбировать более 2 % влаги из паровоздушной среды, в то время как при длительном увлажнении более гигроскопичный образец № 3 впитал больше влаги и его тепловое сопротивление снизилось по сравнению с тепловым сопротивлением образца № 1 и сравнялось с тепловым сопротивлением образца № 2. Вероятно, велико влияние гигроскопичности текстиля: у образцов № 1 и № 3, имеющих одинаковые мембраны, существенно разные по гигроскопичности текстильные слои (таблица 4). Поэтому при увлажнении КММ зависимость теплового сопротивления от толщины материала сохраняется только при малом проценте сорбированной образцом влаги (в данном случае – менее 2 %).

Паропроницаемость КММ определяет, как быстро материал будет увлажняться изнутри при активном потоотделении пользователя одежды и какими будут тепло-ощущения человека. Для трех исследованных образцов паропроницаемость убывает в ряду № 2 - № 1 - № 3. В этом же ряду убывает и процент изменения теплового сопротивления (включая как возрастание, так и снижение) - 5 % для образца № 2; 8 % для образца № 1 и 15 % для образца № 3.

Выводы

Структура и сорбционные свойства КММ оказывают существенное влияние на изменение теплоизоляционных свойств в условиях повышения влажности, что важно учитывать при проектировании одежды. При незначительном увлажнении не более 2 % тезис о большем тепловом сопротивлении материалов большей толщины справедлив. Тепловое сопротивление материалов, обладающих большей гигроскопичностью, при длительном увлажнении снижается более интенсивно. Поэтому существенно важным становится время нахождения материала во влажных условиях.

У материала с гидрофобной пористой сетчатой мембраной снижение теплового сопротивления равномерное, а у материалов с гидрофильной мембраной наблюдается колебание значений показателя в зависимости от времени увлажнения, вероятно, из-за происходящей в структуре монолитной гидрофильной мембраны химической реакции с выделением теплоты, вызывающей временное повышение теплового сопротивления. Такое изменение также значимо для проектирования одежды, особенно если разрабатывается изделие для длительного пребывания на холодном и влажном воздухе.

В плане рекомендаций по использованию трехслойных КММ в одежде стоит отметить, что тепловое сопротивление исследуемых образцов выше значений, рекомендованных для демисезонной одежды и двухчасового пребывания на открытом воздухе человека, проявляющего средний уровень активности. Поэтому КММ с гидрофильной мембраной нецелесообразно применять для демисезонной одежды, поскольку их тепловое сопротивление может увеличиваться при увлажнении, а паропроницаемость низка, что приведет к дискомфорту пользователя, ощущаемому как «припарок». Такие материалы возможны для применения в одежде, предназначенной для низкого уровня активности человека и невысокой влажности атмосферного воздуха, когда процент их увлажнения при эксплуатации не превышает 2 %.

У КММ с пористой гидрофобной мембраной более высокий уровень паропроницаемости, а тепловое сопротивление при увлажнении снижается плавно, равномерно и всего на 5 % от начального значения, что делает их материалами выбора при проектировании демисезонной одежды различного назначения.