Влияние предварительного натяжения на значение индекса передачи теплового излучения огнезащитного трикотажного полотна

DOI:

Материалом для пошива специальной одежды для защиты от повышенных температур могут служить ткани и трикотажные полотна различного сырьевого состава с огнезащитной отделкой или произведённые из арамидных нитей, изначально обладающих термо- и огнестойкими защитными свойствами. Средства индивидуальной защиты рук для защиты от повышенных температур изготавливаются, как правило, из таких же материалов.

Трикотажные полотна в отличие от тканых имеют растяжимость. В статье (Хабарова, Е. Б., Фомина, О. П. и Заваруев, В. А., 2021) рассматриваются изменения в физико-механических свойствах полотна под действием деформационных нагрузок – приложение силы, при которой петельные столбики трикотажа раздвигаются. Исследование проводилось для семи различных кулир-ных переплетений – гладь, ластик 1x1, фанг и полуфанг, а также комбинированных переплетений с протяжками типа распорок – при различном давлении от 0 до 1000 Па стандартными методиками. В исследовании отмечается, что ластик 1x1 имеет наибольшее относительное удлинение из-за своей петельной структуры, а комбинированное переплетение с протяжками в виде соединительных распорок позволяет добиться повышенного сопротивления деформации. Так же отмечается, что толщина трикотажных полотен оказывает влияние на такие свойства как теплоизоляция, проницаемость, жесткость, драпируемость и другие.

В работах (Хамидова, Д. У., Тураходжаева, Н. Н. и Ханхаджаева, Н. Р., 2021; Холбоев, Э. Б., Хамидова, Д. У. и Ханхаджаева, Н. Р., 2022) проводилось исследование различных вариантов трикотажных переплетений слож- ной структуры. В исследовании (Холбоев, Э. Б., 2023) было установлено, как различное количество прессовых петель влияет на разрывную нагрузку трикотажного полотна. Также наблюдались изменения в воздухопроницаемости, удлинении и растяжимости. В ходе работы (Холбоев, Э. Б. и Ханхаджаева, Н. Р., 2023) была разработана математическая модель влияния различного количества рисунчатых элементов петель в составе полотна на разрывную нагрузку и упругую деформацию. На основе полученной модели сделан вывод о возможности прогнозировании разрывной нагрузки и упругой деформации для достижения требуемых значений.

Для оценки качества готового трикотажного изделия, в статье (Гойс, Т. О. и др., 2024) наряду с использованием стандартной системы оценки, предлагается использование комплексного показателя качества на основе трех обобщенных оценок: показатели внешнего вида изделия (соответствие росту, выбранным материалам, моде и стилю; оригинальность; колористическое оформление; посадка изделия на фигуре); единичные показатели качества (изменение линейных размеров после мокрых обработок; устойчивость окраски к свету, к дистиллированной воде и к сухому трению; удельное поверхностное электрическое сопротивление; воздухопроницаемость; гигроскопичность; устойчивость к истиранию) и дефекты внешнего вида и производственно-швейные дефекты готового изделия для установления уровня сорта (провязывание загрязненной нити; пятна; несимметричность деталей; отклонение строчки от конструктивной линии при подшивке верха и низа изделия; разная длина боковых швов). Таким образом, потребитель на основе итоговой оценки качества может судить о качестве продукта.

Для оценки огнезащитных свойств специальных текстильных материалов в исследовании (Спиридонова, В. Г. и Циркина, О. Г., 2021) выделяются различные методики выполнения испытаний со следующими определяемыми параметрами – воздействие теплового излучения (ГОСТ Р ИСО 6942-2007, с 01.10.2022 действует ГОСТ ISO 6942-2011); теплопередача (ГОСТ Р ИСО 91512007, с 01.10.2022 действует ГОСТ ISO 9151-2021); распространение пламени на вертикально ориентированных материалах (ГОСТ ISO 15025-2019); огнестойкость (ГОСТ 11209-2014); устойчивость к мокрой обработке (ГОСТ 12.4.049-78); распространение пламени на вертикально ориентированных образцах в строго контролируемых условиях (ГОСТ Р ИСО 6941-99). В исследовании отмечается, что рассмотренные методики не учитывают наличие огнезащитной обработки на материалах и не могут быть сравнимы между собой.

В исследовании (Спиридонова, В. Г. и Циркина, О. Г., 2023) применяется термический анализ для исследования термических свойств тканей. Отмечается, что существенное влияние на термические свойства оказывают поверхностная плотность и толщина. В статье сделан вывод, что температурные показатели обуславливающие термические процессы в текстильном материале зависит от поверхностной плотности так же как и химический состав материала – текстильные материалы, выработанные из одинаковых по природе волокон и отличающиеся только поверхностной плотностью, имеют близкие термические показатели.

Помимо физико-механических показателей качества средств индивидуальной защиты рук, в исследованиях (Строганова, Ю. А. и Давыдов, А. Ф., 2023) выделяются такие показатели безопасности как стойкость к прожиганию, огнестойкость, контакт с нагретыми поверхностями до 250 °C, индекс передачи теплового излучения, показатель передачи тепла при воздействии пламени. В работе сделаны выводы о том, что выбор материалов для производства средств индивидуальной защиты рук должен исходить из условий применения и рисков возможного нанесения вреда.

В статье (Шустов, Ю. С., и др., 2021) рассматриваются основные методики выполнения испытаний для определения ограниченного распространения открытого пламени – в торец образца в соответствии с ГОСТ 11209-2014, воспламенение поверхности в соответствии с ГОСТ Р ИСО 15025-2007 процедура A (с 01.09.2019 действует ГОСТ ISO 15025-2019), воспламенение нижней кромки в соответствии с ГОСТ Р ИСО 15025-2007 процедура B (с 01.09.2019 действует ГОСТ ISO 15025-2019), определение теплопередачи при воздействии пламени в соответствии с ГОСТ Р ИСО 9151-2007 (с 01.10.2022 действует ГОСТ ISO 9151-2021). В статье сделаны рекомендации о применении процедуры B ГОСТ Р ИСО 15025-2007 (ГОСТ ISO 15025-2019) при воздействии пламени в течение 10 и 30 секунд как наиболее показательной.

Для огнезащитных трикотажных полотен в статье (Шамиданова, А. Б., Заваруев, В. А. и Рябова, И. И., 2019) помимо физико-механических и гигиенических требований выдвигаются специальные требования:

• –    материал должен исключать искрообразование;

• –    индекс передачи теплового излучения при плотности теплового потока 20 кВт/м² должен быть не менее 8 секунд;

• –    при воздействии открытого пламени в течение 30 секунд, материалы не должны поддерживать горения и тления, а также расплавляться при выносе из пламени, при этом остаточное горение и тление не допускаются;

• –    материалы должны быть устойчивы к прожигающему элементу, нагретому до 800 °C в течение 50 секунд;

• –    после 5-ти химических стирок огнезащитные свойства материалов должны сохранятся;

• –    искры и брызги расплавленного металла не должны удерживаться на поверхности материала.

Предлагается использование двухслойного трикотажного полотна (верхний слой – специальных, нижний слой – гигиенических для обеспечения выполнения данных требований). В исследовании (Шамиданова, А. Б. и Рябова, И. И. 2018) отмечается, что защитные свойства зависят не только от сырья, но и от структуры.

В статье (Петухов, А. Н. и Давыдов, А. Ф. 2021) рассматриваются основные параметры для проведения ГОСТ Р ИСО 6942-2007 (с 01.10.2022 действует ГОСТ ISO 6942-2011) для определения индекса передачи теплового излучения RHTI ( Q ₀ ) при плотности теплового потока 20 кВт/м², которая нормируется Техническим регламентом 019/2011. При повышении плотности теплового потока (Петухов, А. Н. и др., 2022) значение RHTI ( Q ₀ ) уменьшается, но прочностные характеристики у арамидных тканей остаются на том же уровне, а у хлопчатобумажных – уменьшаются.

Методы и средства исследований

Традиционно специальная защитная одежда изготавливается из тканых материалов. Применение трикотажных полотен позволяет улучшить воздухопрони- цаемость готовой защитной специальной одежды, что отрицательно влияет на экранирование теплового потока, однако отсутствие соединительных швов в такой одежде позволяет избежать участков проникновения теплового излучения. Трикотажное полотно обладает значительным растяжением, что позволяет трикотажным изделиям более плотно облегать тело человека по сравнению с тканым полотном и минимизировать воздушное пространство между специальной защитной одежной или средствами индивидуальной защиты рук и телом, что влияет на удержание теплового потока. Также к преимуществам трикотажных полотен можно отнести то, что при использовании нитей одинаковой линейной плотности трикотажные полотна будут иметь меньшую поверхностную плотность, чем тканые материалы, и для изготовления готового изделия будет использовано меньше нити, что положительно влияет на итоговый вес изделия.

Для проведенного исследования выбраны три трикотажных полотна схожего сырьевого состава и различной поверхностной плотности, а также три трикотажных полотна схожей поверхностной плотности, но различного сырьевого состава. Объекты исследования представлены в таблице 1.

Для исследования использовалась методика B выполнения испытаний по ГОСТ ISO 6942-2011. Сущность метода заключается в определении индекса передачи теплового излучения RHTI ( Q ₀ ) (Radiant Heat Transfer

Index) – времени, за которое температура испытуемого образца поднимется на 24 °С от первоначальной при выдерживании под действием теплового потока заданной плотности. Норматив по Техническому регламенту 019/2011 составляет не менее 8 секунд при плотности теплового потока 20 кВт/м2.

Целью настоящего научного исследования является выбор и обоснование оптимальной величины груза предварительного натяжения при проведении испытаний трикотажных полотен специального назначения в условиях воздействия теплового излучения по ГОСТ ISO 6942-2011 при стандартной плотности падающего потока 20 кВт/м2.

Результаты исследований

На рисунке 1 представлен RHTI ( Q ₀ ) и плотность пропущенного теплового потока Q _c для шести образцов по петельным столбикам и рядам при плотности падающего теплового потока Q ₀ равной 20 кВт/м².

Из рисунка 1 видно, что направление раскроя испытуемого образца влияет на RHTI ( Q ₀ ) и Q _c . Данное влияние объясняется тем, что трикотажные полотна могут растягиваться под действием груза предварительного натяжения (в соответствии с ГОСТ ISO 6942-2011 – 2 Н или 200 грамм). Груз предварительного натяжения в 200 грамм обеспечивает оптимальное натяжение испытуемого образца для тканых материалов, но является избыточным для трикотажных полотен, которые по своей структуре значительно растягиваются по петельным рядам.

Таблица 1 – Объекты исследования

Table 1 – Research objects

Образец:	1	2	3	4	5	6
Сырьевой состав	Модакрил – 65 % Шерсть – 35 %	Модакрил – 65% Шерсть – 35 %	Модакрил – 65 % Шерсть – 33 % ТН* – 2 %	Модакрил – 60 % Шерсть – 39 % ТН – 2 %	Модакрил – 60 % Хлопок – 39 % ТН – 2 %	Мета-арамид – 100 %
Поверхностная плотность по ГОСТ 8845-87, г/м2	380	365	250	210	210	210
Переплетение	Ластик 1x1
Растяжимость по ГОСТ 8847-85, %	114	105	93	95	95	119

Примечание: *ТН – токопроводящая нить.

Рисунок 1 – Индекс передачи теплового излучения RHTI ( Q ₀ ) и плотность пропущенного теплового потока Q _c при плотности падающего теплового потока Q ₀ равной 20 кВт/м²

Figure 1 – Radiant Heat Transfer Index RHTI (Q0) and transmitted heat flux density Qc at incident heat flux density Q0 equal to 20 kW/m²

Наибольшее отличие RHTI ( Q ₀ ) составляет 3,5 секунд (на 24,7 % больше у петельных столбиков, чем у рядов) и плотности пропущенного теплового потока Q _c на 1,7 кВт/м² (на 24,3 % меньше у петельных столбиков, чем у рядов) для образца 1, поверхностной плотностью 380,0 г/м².

С уменьшением поверхностной плотности испытанных образцов сохраняется зависимость индексом передачи теплового излучения RHTI ( Q ₀ ) и плотностью пропущенного теплового потока Qc от направления раскроя – RHTI ( Q ₀ ) на 13,7 % меньше у петельных столбиков, чем у рядов (разница в 1,6 секунды) и Q _c на 7,5 % меньше у петельных столбиков, чем у рядов (разница в 0,7 кВт/м²).

Следует отметить, что образцы 4 и 5, различающиеся сырьевым составом, но имеющие равные значения поверхностной плотности, имеют сравнимые значения RHTI ( Q ₀ ) – 13,5 и 13,3 секунд для петельных столбиков, 11,9 и 11,7 секунд для рядов. У образца 6, имеющего сырьевой состав 100 % мета-арамид, больший RHTI ( Q ₀ ), чем у образцов 4 и 5 схожих с ним по поверхностной плотности (петельные столбики 15,1 секунд, ряды 13,0 секунд).

На рисунках 2 и 3 представлены RHTI ( Q ₀ ) и плотность пропущенного теплового потока Q _c для шести образцов по петельным столбикам и рядам при плотности падающего теплового потока Q ₀ равной 20 кВт/м² и грузами предварительного натяжения 100 и 40 грамм, соответственно.

Анализ полученных результатов

При уменьшении груза предварительного натяжения с 200 грамм до 100 грамм и 40 грамм наблюдается увеличение индекса передачи теплового излучения RHTI ( Q ₀ ) – для образца 1 на 0,5 (на 2,8 %) и 1,7 (на 9,6 %) секунды для петельных столбиков и для рядов – 1,3 (на 9,2 %) и 3,0 (на 21,1 %) секунды. При уменьшении поверхностной плотности для образов 2–4 наблюдается аналогичное соотношение.

Для груза предварительного натяжения 100 грамм у образцов 4 и 5 различия RHTI ( Q ₀ ) составляют 0,2 секунды (1,4 %) для петельных столбиков, для петельных рядов – без изменений. Для груза предварительного натяжения 40 грамм – 0,5 секунд (3,4 %) для петельных столбиков и петельных рядов.

Для образца 6 при уменьшении груза предварительного натяжения для петельных столбиков RHTI ( Q ₀ )

Рисунок 2 – Индекс передачи теплового излучения RHTI ( Q ₀ ) и плотность пропущенного теплового потока Q _c при плотности падающего теплового потока Q ₀ равной 20 кВт/м² для груза предварительного натяжения 100 грамм Figure 2 – Radiant Heat Transfer Index RHTI ( Q ₀ ) and transmitted heat flux density Q _c at incident heat flux density Q ₀ equal to 20 kW/m² for a pre-tensioned load of 100 grams

Рисунок 3 – Индекс передачи теплового излучения RHTI (Q0) и плотность пропущенного теплового потока Qc при плотности падающего теплового потока Q0 равной 20 кВт/м² для груза предварительного натяжения 40 грамм Figure 3 – Radiant Heat Transfer Index RHTI (Q0) and transmitted heat flux density Qc at incident heat flux density Q0 equal to 20 kW/m² for a pre-tensioned load of 40 grams увеличивается на 1,3 % (0,2 секунды) для 100 грамм и на 2,7 % (0,4 секунды) для 40 грамм. Для петельных рядов наблюдается увеличение RHTI (Q0) на 2,3 % (0,3 секунды) для 100 грамм и для 40 грамм – на 1,5 % (0,2 секунды).

Размер исходного испытуемого образца составляет (230x80) мм в соответствии с ГОСТ ISO 6942-2011. В таблице 2 представлены значения изменения длины образца после воздействия теплового потока плотностью 20 кВт/м2.

Выводы

• 1.    Сырьевой состав трикотажного полотна оказывает влияние на индекс передачи теплового излучения RHTI ( Q ₀ ) и плотность пропущенного теплового потока Q _c : при сравнимых значениях поверхностной плотности трикотажное полотно, изготовленное из изначально термо- и огнестойких нитей, имеет больший RHTI ( Q ₀ ) и меньший Q _c . Для увеличения RHTI ( Q ₀ ) в трикотажных

• 2.    Уменьшение величины груза предварительного натяжения для обеспечения меньшего растяжения трикотажного полотна влияет на итоговое значение индекса передачи теплового излучения RHTI ( Q ₀ ): чем меньше натяжение, тем больше RHTI ( Q ₀ ).

• 3.    С уменьшением величины груза предварительного натяжения (вследствие меньшего растяжения трикотажного полотна) уменьшается значение плотности пропущенного теплового потока Q _c .

• 4.    Необходимо предложить внести в ГОСТ ISO 69422011 изменения, связанные с уменьшением значения груза предварительного натяжения для трикотажных полотен для обеспечения реальных результатов определения величины индекса передачи теплового излучения RHTI ( Q ₀ ). Целесообразно использование груза предва-

• Таблица 2 – Влияние теплового потока на длину образца

полотнах с пропиткой необходимо увеличивать поверхностную плотность.

Table 2 – Influence of heat flux on sample length

Размер образца после воздействия теплового потока 20 кВт/м2, мм Испытуемые образцы, раскроенные вдоль петельных столбиков (исходная длина по петельным столбикам – 230 мм, ширина по рядам – 80 мм) Груз предварительного натяжения Номер образца 200 грамм 100 грамм 40 грамм 1 240 230 230 2 240 230 230 3 240 230 230 4 235 230 230 5 235 235 230 6 235 235 235 Испытуемые образцы, раскроенные вдоль петельных рядов (исходная длина по петельным рядам – 230 мм, ширина по столбикам – 80 мм) Груз предварительного натяжения Номер образца 200 грамм 100 грамм 40 грамм 1 285 265 240 2 280 265 255 3 270 265 240 4 275 265 255 5 270 265 250 6 235 235 235 рительного натяжения 100 грамм или менее, поскольку указанные грузы обеспечивают меньшее натяжение образа в процессе испытания, приближенное к реальным условиям эксплуатации.