Влияние температуры воздуха и многоциклового изгиба на уровень водонепроницаемости мембранных текстильных материалов

УДК 677.017                                           DOI:

Среди текстильных материалов, обладающих уникальными функциональными свойствами, особое место занимают влагозащитные материалы с полимерным покрытием (Lutz, C., Rödel, F. and Eibl, S., 2024; Yu, X. et al., 2024). В отличие от водоотталкивающих пропиток, покрытия образуют защитный слой, обеспечивающий высокое сопротивление проникновению воды и устойчивость материала к внешним воздействиям (Панкевич Д.К., 2024).

Существуют два основных способа нанесения полимерного покрытия на текстильный материал (Пророкова Н.П., Кумеева Т.Ю. и Кирюхин Д.П., 2025; Ташмухамедов Ф.Р. и Шардарбек М.Ш., 2019; Jay R. Ghonia et al., 2024). Первый способ предусматривает нанесение полимерного состава (полиуретан, поливинилхлорид, акрилаты и др.) непосредственно на текстильный слой с использованием ракли, распыления или валика, после чего материал подвергают термофиксации. Второй, переносной, заключается в том, что покрытие сначала формируют на вспомогательной подложке, а затем переносят на текстильный слой под действием тепла и давления. Оба способа являются востребованными и применяются исходя из функционального назначения материалов.

Благодаря своим характеристикам влагозащитные материалы с покрытием широко используются для изготовления специальной одежды для нефтяной, газовой, химической и других отраслей промышленности (Зият-динова Д.Р. и Абуталипова Л.Н., 2024; Метелева О.В., 2013).

Специальная одежда в процессе эксплуатации неизбежно подвергается воздействию целого ряда факторов, которые постепенно снижают её защитные свойства

(Padleckienė I. & Petrulis D., 2010). Одной из основных причин влияющих на изменение свойств материалов является механический износ. Материалы, применяемые для изготовления специальной одежды, подвергаются таким видам воздействия, как трение, растяжение, изгиб и сжатие. В своих работах учёные отмечают значительное влияние изгиба на снижение уровня водонепроницаемости материалов с покрытиями (Zelová K. & Glombikova V., 2024; Ghezal I., et al., 2019). Одновременно с механическим износом, на материал воздействуют факторы внешней среды. Ультрафиолетовое излучение, осадки и перепады температур запускают процессы разрушения полимеров. Эти процессы приводят к изменениям в структуре материала, что, в свою очередь, сказывается на его физических свойствах (Williams, J., 2017).

В реальных условиях эксплуатации изделия из защитных материалов подвергаются комплексному и одновременному воздействию нескольких факторов. Изучение совместного влияния механического износа и факторов внешней среды является одной из наиболее актуальных задач в области материаловедения. Поэтому в настоящее время в исследованиях используется комплексный подход к оценке износа, что позволяет максимально точно прогнозировать поведение материала в реальных условиях.

Таким образом, целью данной работы является определение влияния температуры воздуха и многоциклового изгиба на уровень водонепроницаемости текстильных материалов с покрытием для прогнозирования эксплуатационного срока носки изделия.

Объекты исследований

В качестве объектов исследования были выбраны образцы влагозащитных материалов с полиуретановым микропористым покрытием (ПлПУМ) и мембранным слоем (ПлЛАМ), производства ОАО «Моготекс» (Республика Беларусь). Все образцы выработаны из полиэфирных нитей и имеют тканую основу, выполненную полотняным переплетением.

Характеристика исследуемых образцов представлена в таблице 1.

Методы и средства исследований

Для определения изменения уровня водонепроницаемости влагозащитных текстильных материалов с покрытием после воздействия многоциклового изгиба при установленных параметрах температуры и влажности воздуха применяли методику исследования эксплуатационных свойств влагозащитных материалов в различных температурно-влажностных условиях (Ивашко, 2021). Методика распространяется на влагозащитные материалы и изделия из них, содержащие полимерный слой, за исключением материалов, в которых содержатся токопроводящие компоненты. Данная методика может быть использована на различных стадиях изготовления продукции, а также при контроле ее качества и заключается в моделировании циклического изгиба при создании определенных климатических условий в течение определенного времени и оценке изменения уровня водонепроницаемости материала после снятия нагрузки.

Для испытания в качестве образцов используют пробы без видимых повреждений. Из материала вырезают три элементарные пробы прямоугольной формы размером 50 мм × 90 мм. Их располагают в зажимах рабочего блока установки для испытания полимерных материалов, схема которого представлена на рисунке 1 следующем образом: пробу сгибают вдоль средней линии лицевой поверхностью внутрь и один конец пробы вставляют до упора в подвижный зажим и закрепляют винтом (рисунок 2а). Свободный конец пробы выворачивают лицевой поверхностью наружу (рисунок 2б) и без натяжения закрепляют в неподвижном зажиме (рисунок 2в). После этого включают рабочий блок 8 установки и проверяют правильность закрепления элементарных проб. При правильной заправке элементарные пробы формируют бегущую складку, концы зажимов 10 не упираются в материал пробы, а направляют складку, не натягивая и не деформируя её.

Выключают рабочий блок 8 установки, закрывают климатическую камеру 7 и задают температуру и влажность воздуха, соответствующие условиям эксплуатации материалов. По достижении заданных параметров включают рабочий блок 8 установки, приводя в движение подвижные зажимы 10 с элементарными пробами.

После окончания испытаний пробы вынимают из зажимов 10 установки и проводят измерение водонепроницаемости в центральной части элементарной пробы.

Уровень водонепроницаемости измеряют в трех точках пробы с помощью прибора для оценки водозащитных свойств методом гидростатического давления (Буркин А.Н. и др., 2021), схема которого представлена на рисунке 3.

Для определения водонепроницаемости необходимо в измерительную ячейку 1, установленную на диэлектрической пластине 2, залить воду в объеме, обеспечивающем формирование выпуклого мениска. Расположить испытуемый материал лицевой стороной к воде и накрыть крышкой 3 с кольцевой резиновой накладкой. С помощью переключателя 7 включить устройство 6 светозвуковой индикации проникания воды, активируя источник питания. Удерживая прибор за стойку 5, вращением ручки 4 зажима образца прижать крышку 3 с кольцевой резиновой накладкой к измерительной ячейке 1. Плавным последовательным вращением ручек 12 регулировки давления создать необходимое гидроста-

Таблица 1 – Характеристика исследуемых образцов

Table 1 – Characteristics of the studied samples

Артикул	Способ нанесения покрытия	Поверхностная плотность, г/м2	Число нитей на 10 см		Толщина, мм	Водонепроницаемость, кПа
			по основе	по утку
ПлПУМ	наносной	142	538	498	0,20	8
ПлЛАМ	переносной	134	504	346	0,19	100

1 – стойка, 2 – электродвигатель, 3 – клиноременная передача, 4 – редуктор,

5 – кривошипно-коромысловый механизм, 6 – техническое отверстие, 7 – климатическая камера, 8 – рабочий блок, 9 – элементарная проба образца материала, 10 – зажим

Рисунок 1 – Схема установки для испытания полимерных материалов Figure 1 – Scheme of the setup for testing polymeric materials

а б (b)

в (с)

Рисунок 2 – Схема закрепления элементарных проб Figure 2 – Scheme of fixing elementary samples

1 – измерительная ячейка (корпус); 2 – диэлектрическая пластина;

3 – крышка с резиновой накладкой и встроенным датчиком воды; 4 – ручка зажима образца;

5 – стойка; 6 – светозвуковой индикатор промокания; 7 – переключатель; 8 – манометр;

9 – щека упора; 10 – упор; 11 – мембрана; 12 – ручки регулировки давления

Рисунок 3 – Схема прибора для определения водозащитных свойств материалов методом гидростатического давления

Figure 3 – Scheme of the device for determination of waterproof properties of materials by hydrostatic pressure method тическое давление в измерительной ячейке 1 путем воздействия на упоры 10, закрепленные щеками 9 упоров и прогибающие мембраны 11. Объем измерительной ячейки 1 уменьшается, а гидростатическое давление в ней повышается и вода под давлением воздействует на испытуемый материал. В момент появления воды на обратной стороне испытуемого материала электрическая цепь замыкается и срабатывает устройство 6 светозвуковой индикации проникания воды. Величина гидростатического давления в измерительной ячейке 1 определяется по манометру 8.

Результаты исследований

Для определение влияния температуры воздуха и многоциклового изгиба на уровень водонепроницаемости текстильных материалов с покрытием (таблица 1), используемых для изготовления специальной одежды, были определены диапазон и интервалы варьирования управляемых факторов исходя из требований ГОСТ Р 12.4.288-2013 «Система стандартов безопасности труда. Одежда специальная для защиты от воды.

Технические требования»1 и климатическими условиями региона эксплуатации (Михеева А.И., 2013). Матрица планирования эксперимента представлена в таблице 2.

Для выявления совместного влияния температуры воздуха ( T , °C) и количества циклов изгиба ( N , тыс. циклов) на уровень водонепроницаемости ( W , кПа) исследуемых текстильных материалов с покрытием был проведён полный факторный эксперимент. На основе анализа литературных источников (Padleckienė I. & Petrulis D., 2010; Панкевич Д.К. и Цуран А.А, 2017) в качестве базовой была выбрана экспоненциальная мультипликативная модель. Оценка параметров модели проводилась с использованием программного пакета «gretl». Для каждого типа материала по экспериментальным данным были рассчитаны коэффициенты модели. Уравнения регрессии для материалов с полиуретановым микропористым покрытием (ПлПУМ) и мембранным слоем (ПлЛАМ) имеет вид (1–2).

W_ПлПУМ = 8,153 • exp 0 '-N ' ' ••"N ' (1)

W_ПлЛАМ = 116,058 ■ exp ^{( - 0} , ⁰⁰²⁴ - ^N)<⁰ , ^{857 +} 0, ⁰¹⁴³ - ^T) (2)

Качество полученных моделей оценивали по скорректированному коэффициенту детерминации. Для материала ПлПУМ R² = 0,98, для ПлЛАМ R² = 0,96, что подтверждает высокую адекватность экспоненциальных моделей экспериментальным данным.

Анализ результатов

Оба исследуемых материала в исходном состоянии (таблица 1) имеют высокий уровень водонепроницаемости, соответствующий требованиям ГОСТ Р 12.4.2882013 «Система стандартов безопасности труда. Одежда специальная для защиты от воды. Технические требо-вания»1 и Технического регламента Таможенного союза ТР ТС 019/2011 «О безопасности средств индивидуальной защиты»2. После моделирования эксплуатационных нагрузок защитные свойства материалов претерпевают существенные изменения, что отражается на их уровне водонепроницаемости.

Материал ПлЛАМ сохраняет водонепроницаемость на уровне значительно превышающем минимальные требования ГОСТ Р 12.4.288-2013 для 3-го класса защиты

(от 7 кПа) и ТР ТС 019/2011 (не менее 2 кПа), тогда как материал ПлПУМ, имеющий значительно более низкие начальные значения уровня водонепроницаемости, после многоциклового изгиба почти полностью теряет защитные свойства.

Вывод

Установлено, что совместное действие многоциклового изгиба в диапазоне от 150 до 300 килоциклов и температуры воздуха от +5 до +15 °C приводит к экспоненциальному снижению водонепроницаемости исследуемых материалов. Полученные регрессионные модели позволяют прогнозировать водонепроницаемость в заданном диапазоне эксплуатационных параметров.

Многоцикловой изгиб является преобладающим фактором снижения водонепроницаемости для обоих типов материалов. Однако степень его влияния существенно выше для материалов с полиуретановым микропористым покрытием. При увеличении циклов изгиба водонепроницаемость образца ПлПУМ снижается в среднем на 52 %, тогда как для ПлЛАМ это падение составляет порядка 31 %.

Температура воздуха также оказывает заметное влияние, но более выраженный эффект оказывает на образец ПлЛАМ.

Полученные модели и установленные закономерности могут быть использованы для научно-обоснованного прогнозирования срока службы спецодежды в зависимости от климатических условий региона и интенсивности механических нагрузок.

Таблица 2 – Матрица планирования эксперимента Table 2 – Experimental design matrix

№ п/п	Т, температура воздуха, °С	N, количество циклов изгиба, килоциклы	W, водонепроницаемость образца ПлПУМ после воздействия, кПа	W, водонепроницаемость образца ПлЛАМ после воздействия, кПа
1	5	150	3	75
2	10	150	4	80
3	15	150	5	85
4	5	225	2	65
5	10	225	3	70
6	15	225	4	75
7	5	300	1	50
8	10	300	2	55
9	15	300	3	60