CC BY
81
УДК 685.54:519.68
Р. Ф. Афанасьева, Н. В. Тихонова, А. Б. Михайлов, Т. М. Осина, И. Д. Михайлова, В. Т. Прохоров
ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ КОСТЮМА
ДЛЯ ВОЕННОСЛУЖАЩИХ АРКТИКИ
(Сообщение 3)
Ключевые слова: костюм, полимерный материал, военнослужащий, холод, теплозащитная одежда, утеплитель, волокно,
свойства.
В сообщении 3 проведены исследования по созданию костюма для защиты от холода военнослужащего, находящегося в условиях Арктики. В основу создания теплозащитной одежды для эксплуатации в условиях Арктики должен быть положен научный принцип, учитывающий теплозащитные характеристики утепляющих и подкладочных полимерных материалов. При производстве одежды используются утепляющие материалы, способные снизить тепловые потери через одежду. Эти полимерные материалы различны по своей структуре, волокнистому составу, толщине, поверхностной плотности и по назначению. Выбор утепляющих материалов производится согласно свойствам основного материала и зависит от условий эксплуатации одежды, а также ее назначения.
Keywords: clothing, polymer material, military man, cold, thermal protective clothing, insulation, fiber, properties.
In the message 3 studied to create a suit for protection from the cold soldiers in Arctic conditions. The basis of creation of heat-shielding clothes for operation in Arctic conditions must be put to a scientific principle, taking into account the heat-shielding characteristics of insulation and lining of polymeric materials. In the production of clothing used for insulating materials that can reduce heat loss through the clothes. These polymeric materials are different in structure, fiber composition, thickness, surface density, and for other purposes. The choice of insulation materials made according to the properties of the base material, depending on the operating conditions of clothes, as well as its purpose.
Введение
Анализ результатов выполненных исследований о преимуществах и недостатках ассортимента полимерных материалов по производству теплозащитного костюма для военнослужащих Арктики позволяет объединить их в следующие группы:
- для верха и подкладки костюма ткани различных волокнистых составов, дублированные ткани, нетканые полимерные материалы с соответствующими защитными свойствами, сформулированными потребителями;
- терморегулирующие полимерные материалы на основе ватина, ваты, поролона, синтепона, синтепона, искусственного и натурального меха, нетканых полотен;
- полимерные материалы для соединения пакетов при производстве костюма: нитки швейные, клеи и клеевые композиции, полимерные материалы для сварных и клеесварных соединений;
- комплектующие полимерные материалы при производстве костюма: фурнитура, пряжки, пуговицы, крючки, хольнитены, кнопки, молнии, липучки и др.
Основная часть
В связи с формированием контингента военных для ведения службы в Арктике возникла необходимость в производстве костюма для военнослужащих, который способен обеспечить комфортные условия за счет снижения тепловых потерь через пакеты материалов. Обоснованность
выбора таких материалов возможна на базе программного продукта, обеспечивающего их выбор с созданием комфортных условий в течение заданного времени и с учетом температуры окружающей среды.
При разработке программного продукта рассматривались теплозащитные свойства ассортимента материалов, их низкая воздухопроницаемость, легкость, чтобы гарантировать военнослужащему комфортность.
Утепляющие, прокладочные и подкладочные полимерные материалы широко применяются при изготовлении пакета зимнего костюма. Но, чтобы обеспечить выполнение требований к костюму пакет материалов должен выполнять соответствующие функции, гарантирующие потребителю комфортные условия при нахождении его в зонах с пониженной температурой. При этом материалы, формирующие пакет, должны быть эластичными, прочными, легкими, отличаться малой сминаемостью и водопоглащаемостью, иметь характеристики, обеспечивающие военнослужащему комфорт в течение заданного времени. Термоутеплитель, который формирует эти условия, должен быть легким, пористым и соответствовать тем требованиям, чтобы гарантировать военнослужащему выполнение его обязанностей без ухудшения комфортности, т.е. обеспечивать ему необходимую
воздухопроницаемость, теплозащиту и легко восстанавливать свои свойства при чистке. Выбор термоутеплителя осуществляется на основе программного продукта для всего пакета материалов, в том числе для отдельных участков
тела военнослужащего. Подкладка, как и термоутеплитель, в совокупности должны обеспечивать минимальные теплопотери, но при этом должны быть комфортными и не провоцировать аллергию. Хараеткристики материалов пакетов, а именно толщина, формируется на основе продолжительности эксплуатации костюма и температуры окружающей среды. Все разнообразие ассортимента материалов рассчитывается на основе полученных результатов с помощью программного обеспечения, в том числе и общая толщина пакета.
Характеристика материалов верха, подкладки, термоутеплителя и утепляющих прокладок формируется на основе требований, которым должен удовлетворять костюм.
Специальный текстиль с особой текстурой необходим для защиты от переохлаждения при температуре воздуха ниже 30°С. В сочетании с сильным ветром, дождем такая низкая температура может привести к летальному исходу [1].
Самый эффективный метод защиты от переохлаждения - уменьшить потери кондуктивного тепла, поэтому пакет материалов для теплозащитной одежды должен быть многослойным. Внутренний слой не поглощает тепло, средний слой изоляционный, не пропускающий воздух, но отводящий влагу, наружный слой - ветро- и влагозащитный.
В настоящее время существует большое количество утеплителей на основе синтетических волокон.
Достоинством этих материалов должно быть обеспечение минимальных теплопотерь с сохранением эксплуатационных и других требований, которые предъявляются к такому типу костюма, а именно они должны быть легкими, пористыми и характеризоваться малой теплопроводностью. Мнения о том, что лучшим термоутеплителем является пух не совсем верен, так как в условиях повышенной влажности, что характерно для Арктики он впитывает влагу и теряет свои теплозащитные свойства. Кроме того, такой костюм требует сложной обработки.
Аналогичные недостатки характерны для натуральной шерсти. Но при увлажнении существенно теряет свои теплозащитные свойства и их затруднительно обрабатывать в химчистке, кроме того использование натуральной шерсти существенно увеличивает стоимость готового костюма.
Ниже приведены наиболее известные нетканые утеплители импортного производства.
На сегодня наиболее эффективными являются следующие утеплители:
- тинсулейт в сотни раз тоньше человеческого волоса. Благодаря своей текстуре, он великолепно удерживает тепло, куртки на тинсулейте - легкие, тонкие и теплые. Состоит утеплитель на 65% из полиолеэфирного и на 35% из полиэфирного волокна;
- холлофайбер имеет форму шаров, пружин и т.д. Способны выдержать морозы до -25°С.
- холспринг - высокотехнологичный утеплитель, который очень хорошо сохраняет тепло, имеет небольшой вес, абсолютно гипоаллергенен и не усаживается при носке и стирке.
- холлофан - изготавливается из полого первичного полиэфирного волокна, не впитывает влагу, запахи, гипоаллергенный. Холкон -изготавливается из спирально извитых, частично силиконизированных, полиэфирных волокон, надежно скрепленных между собой термическим способом.
PrimaLoft® - современная серия утеплителей из ультра-тонких полиэфирных волокон,
обеспечивающих превосходные
теплоизоляционные свойства при небольшой массе. Создан и производится американской компанией Albany International.
Thermolite - синтетическое волокно на основе полиэстера, разработанное и запатентованное американской компанией INVISTA (дочернее предприятие корпорации DuPont).
Достоинства импортных утеплителей очевидны, недостатки - цена, а также перебои и ограничение поставок, в связи с введением санкций.
Российский рынок полиэфирных утеплителей только начинает формироваться. Синтепон уже не удовлетворяет требованиям большинства производителей, а европейские и американские утеплители, несмотря на своё качество, обходятся недешево, поэтому стоимость конечной продукции с их использованием сильно возрастает. Основываясь на более чем двадцатилетнем опыте работы в лёгкой промышленности, компания «РадугаТекстиль» предлагает свой способ решения проблемы, и это решение - новейшие нетканые утеплители «Сиберия» [2].
На данный момент, «Сиберия» выпускает три основных продукта: «Сиберия Классик», «Сиберия Микро» и «Сиберия Вельвет».
«Сиберия классик» - это качественный универсальный утеплитель. Специально подобранная формула, делает утеплитель более практичным, повышая его прочность, а входящие в состав микроволокна делают материал теплым и легким. Прекрасно подходит для утепления любой теплозащитной одежды. «Сиберия Микро» - это отечественный утеплитель, полностью состоящий из микроволокон. Одежда с «Сиберия Микро» получается не только очень теплой, но также лёгкой и тонкой, что делает утеплитель незаменимым материалом при производстве утепленной модельной или профессиональной спортивной одежды, а также всевозможного туристического инвентаря. «Сиберия Вельвет» -это мягкий и пушистый микроволоконный утеплитель с добавлением извитых полых волокон.
Компания «Термореал» изготавливает серию утеплителей Termofinn из первичного высокоизвитого полого волокна. Он экологичен и абсолютно безвреден. Termofinn [2] сохраняет форму после стирки и быстро сохнет, эффективен при низких температурах. Termoflnn Plus -
классический утеплитель Termofinn с каландрированием поверхности, что уменьшает миграцию волокон и облегчает раскрой. Termofinn Micro производится из ультратонкого микроволокна, легкий и мягкий утеплитель, при этом хорошо удерживающий тепло, рекомендованный дня использования как в I - III, так и в IV и особом климатических поясах.
В 2011 г. специально для российского рынка разработана уникальная рецептура производства совершенно нового продукта - утеплителя Alpolux, в котором прекрасно сочетаются теплоизляционные свойства натуральной шерсти Мериноса и микроволокна [2].
Россия простирается на огромной территории. В зимний период большинство регионов страны покрывается снежным покровом, который сохраняется 220-260 дней в году от -20 до -40°С, а в Якутии максимально низкая температура достигает -68°С. Поэтому исключительно важна роль теплой одежды отечественного производства, ничем не уступающей, а по теплозащитным свойствам и превосходящей лучшие импортные аналоги.
На сегодняшний день, нет более теплой одежды для эксплуатации в суровых условиях зимы, чем традиционный костюм из меха северного оленя. Однако олений мех не подходит для одежды современного человека, т.к. обладает большой массой (1,8 кг/м2) и толщиной (до 53 мм). Это создает громоздкую, стесняющую движения человека, конструкцию. К тому же остевая шерсть, составляющая основную массу покрова, быстро ломается при эксплуатации и засоряет окружающую среду.
Наиболее теплым и подходящим для костюма сырьем является волос северного оленя, натуральный экологичный материал, обеспечивающий высокие теплозащитные свойства в зависимости от высоты волоса. При эксплуатации, независимо от температурных и влажностных факторов среды и физической активности человека,
теплоизоляционные свойства оленьего волоса хорошо сохраняются. Российские производители успешно освоили производство утеплителя на основе оленьей шерсти [3].
Куртка с оленьей шерстью позволяет находиться на открытом воздухе зимой неограниченное время при низких температурах (вплоть до -68°C), независимо от физической активности человека [3].
Суммарное тепловое сопротивление пакета материалов составляет для промежуточного костюма 0,196 (м2-°С)/Вт, для верхнего костюма -0,312...0,343 (м2-°С)/Вт, в зависимости от режима носки. Толщина при этом для промежуточного костюма равна 1 см, верхнего костюма - 2-2,5 см., а гигроскопичность - не менее 16%.
Изделия с оленьей шерстью на сегодняшний день являются самой теплой одеждой для суровой российской зимы.
По теплозащитным свойствам утеплитель из оленьей шерсти в реальных условиях до трёх и более раз превосходит известные современные утеплители типа шерстяной ватин, шерстипон, тинсулейт,
холлофайбер, синтепон и др. Изделия с оленьей шерстью обладают небольшой массой и толщиной, не стесняют движения, удобны в самых сложных условиях эксплуатации.
Благодаря высокой гигроскопичности оленьей шерсти, в слоях одежды устанавливается термостабильность, и создаются автономные микроклиматические зоны. При этом костюм остается сухим на ощупь. Это гарантирует сохранение высоких теплозащитных свойств, независимо от изменения климатических условий окружающей среды. Изделия из оленьей шерсти можно носить как в арктической тундре, в сибирской тайге, в высокогорных альпинистских восхождениях, так и в городских условиях.
В таблице 1 представлен ассортимент материалов современных утеплителей для изготовления теплозащитной одежды для военнослужащих Арктики.
Таблица 1 - Ассортимент современных утеплителей для изготовления теплозащитной одежды для военнослужащих
Вид материала Импортные материалы Отечественные материалы
Утеплитель PrimaLoft, thermolite, тинсулейт, холлофайбер, файбертек, полифайбер, изософт Termofinn, termofinn plus, alpolux, termofinn micro, оленья шерсть, сиберия классик, сиберия вельвет
Преимущество отечественных тканей заключается в том, что поставки их гарантированно стабильны, на них не влияет валютный курс и импортная логистика, они полностью адаптированы под конкретные требования российского потребителя.
В настоящее время в качестве основного материала для изготовления теплозащитной одежды стали применять мембранные ткани.
Мембранная ткань выглядит как ткань с мелкой трикотажной сеткой с изнаночной стороны, которая мембрану от засорения и от механических повреждений. Это очень легкая, максимально функциональная ткань с небольшим объемом.
По строению мембранные ткани можно разделить на следующие виды [4]: поровые, беспоровые и комбинированные.
Поровые - мембраны работают по следующему принципу: капли воды, попадающие снаружи, не могут выходить пройти через поры, так как эти поры слишком малы. Однако поровые мембраны достаточно быстро теряют свои свойства, поскольку поры забиваются, и снижается воздухопроницаемость.
Беспоровые - не имеют пор и работают по следующему принципу: выделяемая влага попадает на внутреннюю часть, осаждается на ней и быстро переходят на внешний слой. Преимущества -долговечность, не требуют бережного ухода, исправно работают в широком диапазоне
температур. Недостатки - меньшая
воздухопроницаемость, чем у поровых мембран.
Комбинированные - ткань верха с внутренней стороны покрыта поровой мембраной, на которой имеется тонкое покрытие беспоровой полиуретановой мембранной пленкой.
Кроме того, современные мембранные ткани можно классифицировать по конструкции.
Трехслойная - ткань верха + мембрана + подкладка, склеенные в одну структуру по специальной технологии ламинирования. Выглядит, как ткань с мелкой сеткой с изнаночной стороны. Трикотажная сетка с изнанки защищает мембрану от засорения и от механических повреждений, соответственно, в одежде не нужна подкладка. В итоге получается очень лёгкая, максимально функциональная ткань с небольшим объёмом.
Двухслойная - ткань верха с нанесенной мембраной. Используется в костюме с подкладкой, защищающей от засорения и механических повреждений.
Двух-с-половиной слойная - двухслойная мембрана с дополнительным нанесением вспененного защитного слоя. Одежда получается максимально лёгкая, не нуждающаяся в подкладке.
Однослойная - свободно расположенная мембрана между внешним слоем и подкладкой. Используется в аксессуарах и обуви.
Отдельно выделяют микропористые мембранные ткани, которые, как видно из названия, имеют микропористую структуру. Поры имеют размер во много раз больше молекулы воды и во много раз меньше самой маленькой капли воды. На сколько оптимально подобран размер пор, на столько и высоки характеристики микропористой мембранной ткани. Высокие характеристики мембраны зависят от качества и химического состава полимера, специальных технологических разработок и достаточного опыта у производителя в этой области [4]. Ниже приведены описания наиболее широко применяемых на сегодняшний день мембранных тканей.
Мембранные ткани Gore-Tex® - одни из самых износостойких, водоотталкивающих, ветрозащитных дышащих тканей. Ткань состоит из двух составляющих. Первый - мембрана PTFE (политетрафторэтилен), не пропускает воду, но обеспечивает легко удаление пара, выделяемого телом.
Gore-Tex®XCR - последняя модификация мембраны, более износостойкая, имеет сложную многослойную структуру. Gore-Tex®XCR Stretch -тянущаяся мембрана, скомбинированная со стрейтчевым верхом, для наилучшего облегания, не стесняет движений. Gore-Tex®Wind Stopper® -ветрозащитная ткань, обеспечивает полную защиту от ветра при сильном эффекте дыхания. В холодную ветреную погоду изделия из Wind Stopper® обеспечивают сохранение тепла в 1,5 - 2 раза лучше, чем обычные флисовые ткани. Wind Stopper® дает возможность использовать меньшее количество слоев одежды для сохранения тепла и обеспечения большей свободы движений.
е\ЕЫТ (ивент) - водоотталкивающий микропористый мембранный материал, который обеспечивает хорошую воздухопроницаемость.
ТгашАсйуе впитывает и выводит влагу наружу через материал еУБЭТ. Воздухопроницаемость свыше 20000 г/м2 в сутки, водонепроницаемость около 70000 мм.
Все выше перечисленные материалы в настоящее время применяются для изготовления утеплённой одежды фирмами России (например, БТК-групп).
Анализ ассортимента материалов для пакета костюма военнослужащегося, находящегося в условиях Арктики, с помощью программного продукта подтвердил его высокую эффективность при выборе тех материалов, которые формируют военнослужащему термозащитные свойства в течение всего времени его должностных обязанностей. Так как от правильности выбора материалов для костюма зависит жизнь и здоровье самого военнослужащего.
Таким образом, выбор пакета материалов для производства камуфляжного костюма предполагает на основе программного обеспечения проанализировать материалы для верха, подкладки, термоутеплителей, прокладки на предмет их использования для данных видов теплозащитной одежды. После формирования пакета на базе программного продукта рассчитываются характеристики для различных участков тела, чтобы реализовать требования по обеспечению защиты военнослужащего от воздействия низкий температур. Изготавливается опытный образец костюма, проводятся испытания в климатических камерах, где формируются условия, близкие к реальным для Арктики. Если испытатель подтверждает, что данный костюм обеспечит ему комфортность, то изготавливается опытная партия, которая должна быть испытана в реальных условиях. Все выявленные недостатки корректируются, уточняются, проверяются и если они окажутся не существенными, а выбор пакета материалов оптимальным, возможен выпуск продукции для её эксплуатации в Арктике.
Заключение
В статье достигнуты следующие результаты:
- предложена классификация ассортимента материалов для комплектов одежды военнослужащих Арктики, находящихся в различных метеорологических условиях;
- сформулированы основные требования к утепляющим материалам для комплектов одежды военнослужащих Арктики, находящихся в различных метеорологических условиях;
- осуществлена оценка ассортимента утепляющих материалов по защите военнослужащего Арктики от переохлаждения.
- сформулированы требования по утепляющим материалам, которым они должны удовлетворять, чтобы защитить военнослужащих Арктики от их переохлаждения;
- предложены условия формирования пакета материалов для комплектов одежды военнослужащих Арктики для различных метеорологических условий.
Литература
1 Р.Ф. Афанасьева, О.В. Бурмистрова, Л.В. Прокопенко, Холодовой стресс: медико-биологические аспекты профилактики: Монография. ООО фирма «Реифор», Москва, 2012. 214 с.;
2 Классификация мембранных тканей [Электронный ресурс]
Шр://к7аЬ^га.сот.иаЛМех.рЬр?ор1;юп=сот_соп1еп1&у1е
%=а1Ис1е&1а=105:2011-06-03-16-29-47&саШ=1:Ме81-пе%г8&11ет1(1=89. - Режим доступа, свободный;
3 Современные утеплители [Электронный ресурс] http://seazon-dress.ru/review/synthetic.htm1. - Режим доступа, свободный;
4 И. Бондарева, Легпромбизнес, 3 (63), 4-6 (2014);
5 Р.Ф. Афанасьева, Н.В. Тихонова, А.Б. Михайлов, Т.М. Осина, И.Д. Михайлова, В.Т. Прохоров, Вестник технологического университета, 18, 15, 155-159 (2015);
6 Р.Ф. Афанасьева, Н.В. Тихонова, А.Б. Михайлов, Т.М. Осина, И.Д. Михайлова, В.Т. Прохоров, С.Ю. Полухина, Вестник технологического университета, 18, 15, 167-172 (2015).
© Р. Ф. Афанасьева - д.м.н., профессор, ФГБНУ «Научно-исследовательский институт медицины труда» Российской академии медицинских наук, г. Москва, e-mail: prohorov@sssu.ru; Н. В. Тихонова - д.т.н., профессор, кафедры «Конструирование одежды и обуви» КНИТУ, sapr415@mail.ru; А. Б. Михайлов - к.ф-м.н., доцент кафедры «Математика и прикладная информатика», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты, e-mail: prohorov@sssu.ru; Т. М. Осина - к.т.н., доцент кафедры «Технология изделий лёгкой промышленности», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты, e-mail: prohorov@sssu.ru; И. Д. Михайлова - к.т.н., доцент кафедры «Математика и прикладная информатика», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты, e-mail: prohorov@sssu.ru; В. Т. Прохоров - д.т.н., профессор, зав. каф. «Стандартизация, сертификация и товароведение», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты, e-mail: prohorov@sssu.ru.
© R. F. Afanas'eva - Doctor of Medical Sciences, professor Federal public budgetary Scientific institution «Research Institute of Medicine of Work» of the Russian academy of medical sciences, Moskva, e-mail: prohorov@sssu.ru; N. V. Tikhonova - Doctor of Technical Sciences, professor of the Garment and Footwear Design Department, Kazan national research technological university, Kazan, e-mail: sapr415@mail.ru; A. B. Mihailov - Ph.D. of physical and mathematical sciences, associate professor of the Mathematics and applied informatics Department, Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty, e-mail: prohorov@sssu.ru; T. M. Osina -Ph.D. of engineering, associate professor of the Technology of products of light industry Department, Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty, e-mail: prohorov@sssu.ru; I. D. Mihailova - Ph.D. of engineering, associate professor, associate professor of the Mathematics and applied informatics Department, Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty, e-mail: prohorov@sssu.ru; V. T. Prohorov - Doctor of Technical Sciences, professor, Head of the of Standardization, certification and commodity research Department, Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty, e-mail: prohorov@sssu.ru.
