CC BY
35
УДК 685.345
Г. И. Рахимова, А. А. Насыбуллина, Р. М. Галялутдинова, Т. В. Жуковская
СОВРЕМЕННЫЕ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В ПРОЕКТИРОВАНИИ И ПРОИЗВОДСТВЕ СПЕЦИАЛЬНОЙ ОБУВИ
Ключевые слова: специальная обувь, нефтедобывающая промышленность, защита от холода, волокнистые полимерные
материалы.
Обеспечение необходимого микроклимата в частности во внутриобувном пространстве и безопасного теплового состояния человека реализуется благодаря рациональному подбору пакета материалов и особенностям конструкций верха и низа обуви. К основным требованиям, предъявляемым к материалам для специальной обуви, относятся их низкая теплопроводность, высокие гигиенические показатели. В настоящее время в качестве утеплителей в специальной обуви используются высокотехнологичные полимерные волокнистые материалы, которые отличаются высокими эксплуатационными характеристиками, помимо превышения коэффициента теплопроводности по сравнению с полотнами с содержанием шерсти или искусственным мехом более чем в два раза, они имеют малую массу, высокой упругостью волокон, долговечностью и износостойкостью.
Keywords: special shoes, the oil industry, protection from the cold, fibrous polymeric materials.
Providing the necessary microclimate inside the shoe, and secure the heat of the human condition, is realized through the rational selection ofpackage materials and design features top and bottom of the shoe.
The basic requirements for materials for special shoes are their low thermal conductivity, high health indicators. Currently, as insulation in footwear used high-polymer fiber materials which have high performance characteristics, besides the excess thermal conductivity compared to webs with a content of wool or artificial fur is more than two times, they have a low mass, high elasticity filaments, durability and wear resistance.
Введение
Для удовлетворения запросов потребителей, в том числе и специальной обуви, требуется разнообразный ассортимент с учетом сезонов и условий носки в пределах каждой климатической зоны.
Специальная обувь предназначена для носки в течение сравнительно длительного периода, поэтому для суждения о том, какими свойствами должна обладать эта обувь, необходимо знать, при сочетаниях каких показателей метеорологических условий будет она эксплуатироваться.
Совокупность средних значений метеорологических элементов, составленных на основе многолетних наблюдений в каком-либо районе, а также средние изменения этих элементов во времени характеризуют собой климат данного района.
Более полные данные для конструирования обуви могут быть составлены на основе разработки требований, полученных при районировании территории России, с учетом не только климатических и географических характеристик отдельных территорий, но и физиологических реакций, теплоощуще-ний, испытываемых человеком при носке одежды и обуви в различных климатических условиях.
Исследовательская часть
Территория России характеризуется широким разнообразием климатов. В зависимости от того, какие важнейшие признаки принимаются за основу на территории страны выделяют ряд районов [1], в частности, выделяются зоны I-VI, при этом, в зонах I - III и V выделяют зоны А и Б, отличающиеся между собой по отдельным элементам климата, но в совокупности создающие примерно одинаковое те-плоощущение человека. Каждая территория характеризуется сравнительно однородным типом одеж-
ды и обуви. Зоны I - III являются основными территориями, где в зимний период требуется утепленная обувь.
Учитывая вышеизложенное, потребители, особенно в добывающих отраслях, уделяют повышенное внимание специальной обуви, предназначенной для использования в зимнее время, особенно при выполнении работ на открытой территории. Поэтому специальная обувь, предназначенная для защиты работающих в условиях пониженных температур, должны обладать, прежде всего, соответствующими теплозащитными свойствами. В любом случае, перед проектированием специальной обуви, необходимо определить конкретные условия ее эксплуатации. Так, при проектировании защитной обуви для работников нефтедобывающей промышленности следует иметь в виду, что добыча нефти ведется не только на наземных платформах, но и на морских, например, Прикаспийское месторождение, в Северном море на шельфе, и т.д.
Значительная часть разработанных и перспективных месторождений расположена в районах Сибири, Дальнего Востока, вдоль побережья северных морей, Камчатки и Сахалина. Длительность зимнего и переходного периодов здесь составляет до 9 месяцев, с температурой от -15°С до -53°С. В долинах рек и замкнутых котловинах скорость ветра достигает 2,0 м/с, а на острова и побережьях полярных морей - до 25 м/с.
Характерной особенностью современной нефтедобычи является увеличение в структуре сырьевых ресурсов доли трудноизвлекаемых запасов, к которым относят тяжелые и высоковязкие нефти. В рассматриваемом секторе экономики занята значительная часть населения, среди которых существенное место занимаю люди, работающие на
объектах нефтедобычи. Таким образом, очевидно, что темпы и перспективы развития действующих и новых нефтедобывающих производств обусловливают необходимость формировать безопасности условия труда для людей, доля которых в общей занятости населения России будет только расти.
На условия труда работников нефтегазовой промышленности большое влияние оказывают негативные условия окружающей среды (ветер, дождь, пониженные температуры и т. д.) и продукты производства (сырая нефть и нефтепродукты, горючие газы, пары или пыль), находящиеся в воздушной среде. Аналогичному воздействию подвергаются костюмы рабочих спасательных подразделений и МЧС при ликвидации последствий аварийных разливов нефти [2].
При проектировании специальной обуви следует учитывать так же и тот факт, что проникновение нефти приводит к изменениям свойств материалов для обуви них. Это происходит непосредственно в процессе эксплуатации. Однако пакет материалов должен сохранять свои защитные свойства в течение длительного времени.
Для специальной обуви стабильность защиты от холода должна обеспечиваться по всей площади установленной поверхности детали, и в течение всего нормативного времени эксплуатации. Обеспечение безопасного труда нефтяников, сохранение их жизни, здоровья и работоспособности побуждает искать новые эффективные научные решения по совершенствованию методов промышленного проектирования защитной обуви. В условиях современных производственных технологий специальная обувь должна представлять надежный барьер, обеспечивающий комплексную защиту, соответствующую реальным условиям эксплуатации.
Теплозащитные свойства обуви имеют исключительное значение для тепловой защиты ног и создания при пониженных температурах окружающей среды нормального теплового состояния всего организма. Критерием теплового комфорта стопы человека приняты: температура стопы 27-3 3°С, внутриобувного пространства 21-25°С. Так как тепловое состояние человека обусловливает его работоспособность, требования к теплозащитным свойствам при проектировании специальной обуви имеют большое значение [3].
В условиях холода, при увеличенной разнице между температурами тела человека и окружающей среды, происходит переход тепловой энергии от тела человека в окружающую среду, а в режиме физической нагрузки, поддержание состояния тепловой уравновешенности еще более усложняется. Кроме того, низкие температуры окружающей среды способствуют возникновению различных сердечнососудистых патологий, приводят к вегетососудистой дистонии, обострению язвенной болезни, радикулита и ревматизма, обуславливает возникновение заболеваний органов дыхания: бронхита, пневмонии, тонзиллита и др.
Обеспечение необходимого микроклимата в частности во внутриобувном пространстве и безопасного теплового состояния человека реализуется благодаря рациональному подбору пакета материалов и особенностям конструкций верха и низа обуви.
К основным требованиям, предъявляемым к материалам для теплозащитной обуви, относятся их низкая теплопроводность, высокая паро- и воздухопроницаемость для обеспечения требуемого тепло -и влагообмена между стопой и внешней средой. В связи с чем, современная теплозащитная обувь часто представляет собой многослойное изделие, в котором каждый слой материала выполняет присущею только ему функцию.
При производстве специальной обуви используются кожа, мех, текстильные материалы, полимерные пленки, картон, резина, искусственная и синтетическая кожа, комплексные материалы, а также материалы скрепляющие, отделочные материалы и фурнитура [4].
Требования к материалам теплозащитной обуви зависят от климатических условий, в которых она будет эксплуатироваться. Конструкция теплозащитной обуви отличается высокой степенью закрытости, применением материалов с низкой теплопроводностью, наличием теплоизолирующих слоев и прокладок, большой толщиной некоторых деталей, прежде всего подошв.
При использовании натуральной кожи для деталей верха теплозащитной обуви необходимо учитывать ее толщину, среднюю плотность и пористость. Так как наличие в микро- и макроструктуре волокнистого материала большого количества воздуха, являющегося теплоизолятором, способствует сохранению тепла. Рельеф поверхности материала также оказывает влияние на его теплопроводность. Материалы с ровной, гладкой поверхностью характеризуются более низким тепловым сопротивлением, чем материалы, имеющие рельефную и особенно ворсовую поверхность [5]. Нанесение на поверхность материалов различных покрытий или мембран приводит к снижению теплового сопротивления на 20...50%.
Так же, для обеспечения нормального микроклимата внутри обувного пространства, материал для верха обуви должен быть водостойким с лицевой стороны, иметь низкую теплопроводность. Чаще всего для утеплённая обувь выпускается с верхом из юфтевых кож. Она предназначается для носки в наиболее суровом климате, характеризуется высокой прочность, износостойкостью и водопроницаемостью. Последнее качество зависит не только от свойств материалов верха (лучшими обладают яловочная и конская юфть), но и от степени водопроницаемости конструкции в местах соединения отдельных деталей друг с другом. Однако, такая обувь наиболее тяжелая, жесткая на изгиб, видовое разнообразие её ограничено.
Внутренние детали обуви из подкладочных материалов непосредственно контактируют со стопой при эксплуатации обуви. Поэтому они должны обладать в большей степени, чем материалы для верха обуви паро- (влаго-) обменными свойствами, стойкостью к воздействию пота, высоким сопротивлением к истиранию.
Для подкладки в теплозащитной обуви применяют ткани типа тик-саржи, репса, тик-ластика, байку, фланель. В качестве утеплителей используют натуральный и искусственный мех нетканые полот-
на, волокнистые материалы, такие как холлофайбер и тинсулейт (ШшБиЫе). Послединие синтетические утеплители представляют собой термически скрепленные полые волокна в форме объемных пружин лабиринтной структуры. При таком расположении в меньшей степени происходит слипание волокон при носке.
При исследовании теплопроводности материалов, выполненных из волокон, имеющих круглое, эллиптическое и треугольное сечения, авторами установлено [6], что форма волокон не оказывает существенного влияния на теплоизолирующую способность материалов. Не влияют на теплопроводность материала и извитость его волокон. Вместе с тем, получены данные о том, что полые волокна имеют теплопроводность значительно ниже, чем сплошные, причем, чем меньше толщина стенок таких волокон, тем меньше их теплопроводность]. Это объясняется наличием в полых волокнах большого количества воздуха. Однако, представленные выше положения справедливы лишь в том случае, когда материал находится в сухих условиях. При повышении влажности среды полые волокна поглощают влаги больше, чем сплошные и, следовательно, теплоизолирующая способность материалов из полых волокон снижается.
Существенно влияет на теплопроводность материалов и характер пространственной ориентации в нем волокон. Исследования теплопроводности волокнообразующих полимеров показали наличие анизотропии теплопроводности, т. е. теплопроводность вдоль ориентированных макромолекул значительно выше, чем в изотропном состоянии или перпендикулярно к направлению ориентации макромолекул. Эти положения подтверждены экспериментами, которые установили, что теплопроводность вдоль оси волокна до 10 раз превышает теплопроводность поперек его оси. Следовательно, если волокна в материале расположены параллельно линиям теплового потока, материал будет иметь максимальную теплопроводность. В том случае, если волокна в материале располагаются перпендикулярно линиям теплового потока или хаотично ориентированы, то такой материал будет обладать минимальной теплопроводностью.
Другой важной характеристикой, как было сказано выше, является способность утепляющих материалов сохранять свою теплозащитную функцию в период эксплуатации. Одним из основных воздействий, оказываемых на утепляющий пакет стопой человека, являются сжимающие усилия, что, при недостаточной упругости материала может привести к образованию зон с меньшей толщиной, в которых способность изделия сохранять тепло будет
существенно ниже. Установлено, что [5] наибольшей величиной деформации в этом случае обладают полушерстяные и хлопчатобумажные холстопро-шивные полотна. Величина относительной деформации для этих материалов составила от 12 до 16 % в то время как высокообъемные нетканые полотна, изготовленные из синтетических волокон, уменьшили свою толщину лишь на 6-8%.
Таким образом, современные высокотехнологичные полимерные волокнистые утеплители отличаются высокими эксплуатационными характеристиками, помимо превышения коэффициента теплопроводности по сравнению с полотнами с содержанием шерсти или искусственным мехом более чем в два раза, они отличаются малой массой, высокой упругостью волокон, долговечностью и износостойкостью. Данные материалы не впитывают воду и хорошо пропускают воздух, что свидетельствует о хороших гигиенических показателях, что позволяет обеспечивать комфортные условия внутриобувного пространства.
Литература
1. Демина, Д.М. Тепловое состояние человека как основа для физиологической характеристики местности и са-нитарно- климатического районирования / Д.М. Демина, И.С. Кандор, Е.М. Ратнер. - Климат и человек. / Сер. Вопросы географии, 1972, сб.89, с. 64-71.
2. Черунова, И.В. Защитные свойства спецодежды в условиях нефтедобычи / И.В. Черунова, И.В. Куренова, Л.А. Осипенко, Е. А. Щеникова, С.А. Колесник // Швейная промышленность. - 2011. - №3. - с . 14-15.
3. Белоусов, В.П. Методика и пример теплового расчета зимней обуви / В.П. Белоусов // Кожев.- обув. пром-сть, 1989. № 2. - с. 70-73.
4. Тихонова, Н.В. Натуральные и синтетические полимеры в современном производстве обуви / Н.В. Тихонова, Т.В. Жуковская, Л.Ю. Махоткина // Вестник Казанского технологического университета. -2010, -№ 9. -С.369-373.
5. Осина, Т.М. О формировании обобщенных свойств пакетов материалов для повышения комфортности обуви /Т.М. Осина [и др.] // Вестник Московского Государственного Университета дизайна и технологии: Сборник научных трудов/ИИЦ МГУ ДТ. - М.: 2005. -вып.3 (45) - с.120-126.
6. Осина, Т.М. Разработка условий комфортности системы «Стопа-обувь-окружающая среда» для нестационарных процессов теплообмена /Т.М. Осина, В.Т. Прохоров, А.Б. Михайлов. /Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки г. Новочеркасск: 2008. - №1- с.82-88.
7. Никитина, Л.Л. Проблемы и перспективы производства кожгалантерейных изделий из полимерных материалов. Часть 1 / Л.Л. Никитина, О.Е. Гаврилова // Вестник Казанского технологического университета. -№ 6. - 2014. - С.88-90.
© Г. И. Рахимова - магистр кафедры конструирования одежды и обуви, КНИТУ; А. А. Насыбуллина - ассистент кафедры конструирования одежды и обуви, КНИТУ; Р. М. Галялутдинова - ассистент кафедры конструирования одежды и обуви, КНИТУ; Т. В. Жуковская - к.т.н., доцент кафедры конструирования одежды и обуви, КНИТУ, [email protected].
© G. I. Rakhimova - Master of the Department of designing clothes and shoes, KNRTU; A. A. Nasybullina - assistant of the Department of designing clothes and shoes, KNRTU; R. M. Galyalutdinova - assistant of the Department of designing clothes and shoes, KNRTU; T. V. Zhukovskaya - Ph.D., Associate Professor of the Department of designing clothes and shoes, KNRTU, [email protected].
