ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЫ ДЛЯ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ ОБОЛОЧКИ ОДЕЖДЫ

АННОТАЦИЯ

Традиционные теплозащитные изделия имеют ограниченный ресурс защиты человека от холода. Терморегулируемая одежда увеличивает время комфортного пребывания человека на холоде, однако она также требует совершенствования. Применения полимерных материалов для изготовления терморегулируемых элементов одежды является сложной, но перспективной задачей. Интеграция нагревательных элементов с полимерными материалами позволяет не только уменьшить объем изделия, но и распределить нагрев по заданному контуру в необходимой области изделий, что также позволяет сократить затраты энергии на обогрев. В статье представлены результаты исследования теплофизических свойств полимерной основы для терморегулирующих элементов оболочки одежды. Выявлены материалы с лучшими теплозащитными свойствами с дальнейшей целью составления макета материалов и создания терморегулирующих элементов одежды для защиты от холода.

ABSTRACT

Traditional heat-shielding products have a limited resource for protecting a person from the cold. Temperature-controlled clothing increases the amount of time a person can stay in the cold, but it also needs improvement. The use of polymeric materials for the manufacture of thermoregulated clothing items is a challenging but promising task. Integration of heating elements with polymeric materials allows not only to reduce the volume of the product, but also to distribute the heating along a given contour in the required area of the product, which also reduces energy consumption for heating. The article presents the results of a study of the thermophysical properties of the polymer base for the thermoregulatory elements of the clothing shell. The materials with the best heat-shielding properties have been identified for the further purpose of drawing up a layout of materials and creating thermoregulatory clothing elements for protection from the cold.

Ключевые слова: полимерные материалы, холод, терморегулируемый элемент одежды, терморегуляция, теплофизические свойства материалов, теплопроводность.

Keywords: polymeric materials, cold, thermoregulated clothing elements, thermoregulation, thermophysical properties of materials, thermal conductivity.

Одежда для защиты от холода должна обладать определенными свойствами и отвечать установленным требованиям [1, с. 5].

Зачастую теплозащитные свойства традиционной зимней одежды недостаточны в условиях сурового холода. При этом увеличенный оббьем и вес такой одежды сковывает движения и снижает эффективность и точность выполнения рабочих задач [2, c. 58].

Сегодня существует большое количество изделий, защищающих человека от холода. Однако они имеют недостатки. Во-первых, большинство этих изделий выполнены из текстиля. Текстильные материалы, интегрированные с нагревателями, быстро отдают тепло в холодную окружающую среду [3, c. 1087]. Кроме этого, большинство таких изделий греют всю поверхность. Это не учитывает физиологию человека [4, c.47; 5, c. 856]. Решением данных проблем является интеграция гибких полимерных материалов с нагревателями по заданному контуру, поскольку полимеры проявляют низкую теплопроводность из-за относительно низкой атомной плотности [6, p. 678].

Согласно источнику [7, c. 211], основными базовыми материалами для изготовления нагревательных элементов одежды на полимерной основе являются: силикон, полиамид, полиэстер. Однако при создании нагревательных элементов одежды нагреватель соединяется с материалом-основой клеевым способом, что увеличивает затраты на изготовление.

Из источника [8, c. 104], проводниками электроподогрева, которые используются для изготовления нагревательных элементов одежды для защиты от холода являются: греющий кабель, пленочный нагревательный элемент, ггибкий нагревательный элемент с углеродными волокнами, ткани с металлизированными нитями и волокнами, полимерная термопроводящая нить. Отмечается, что полимерная термопроводящая нить обладает качественно новыми проводящими свойствами, такими как экологичность, структурная и технологическая гибкость, малая мощность потребления

Афанасьев и др. отмечает, что создание теплозащитной одежды из полимерных материалов для эксплуатации в условиях Арктики должно основываться на научном принципе, который учитывает физиологию теплообмена человека с окружающей средой [9, c. 114].

Известна электрообогревательная водолазная одежда, содержащая электрообогревательные элементы, отличающаяся тем, что электрообогревательные элементы размещены на внутренней поверхности эластичного материала, прилегающего к телу водолаза, а в качестве нагревательных элементов используется провод, изготовленный из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра [10, c. 1].

Известен обогревающий жилет, в котором гибкие нагревательные элементы, имеюn форму многоугольника и выполненные в виде многослойных пакетов, вставленных в нагрудную и наспинную части обогревающего жилета с внутренней стороны. Датчики температуры размещены в гибких нагревательных элементах. Питание обогревающего жилета осуществляется от аккумуляторных батарей, соединенных проводами с гибкими нагревательными элементами и подключенными к блоку управления обогревом [11, c. 1].

Известен чехол для защиты мобильной электроники от пониженных температур, который имеет вид чехла-книжки и содержит отделение для смартфона. Внешний и внутренний слои гибкого теплозащитного материала чехла, соединенные по периметру с сохранением отверстий для подключения наушников и зарядного устройства. Внутренний слой чехла имеет прозрачный экран, выполненный из эластичного прозрачного силиконового материала толщиной 1 мм. Термопроводящая полимерная нить, обеспечивающая подогрев чехла, встроена с изнаночной стороны внутреннего и внешнего слоев гибкого теплозащитного материала и подключена к аккумулятору и датчику температуры с регулятором [12, c. 1].

Авторами [13, c. 6] разработано и представлено новое теплозащитное снаряжение, состоящее из внешней теплозащитной куртки и внутреннего съемного жилета с терморегулируемыми элементами на полимерной основе. Конструктивное решение трансформации позволяет изменять зону обогрева с учетом физиологических особенностей человека в период сна и бодрствования, на основе обоснования температурного режима тела человека в течение суток.

С целью отбора материалов для дальнейшего применения в пакете материалов теплозащитной терморегулируемой одежды для защиты от холода были проведены исследования теплофизических свойств полимерной материалов

Для проведения исследований отобраны материалы с учетом показателей тепловой защиты и возможности применения технологического подхода встраивания и распределения гибких нагревательных каналов в структуру материала для изготовления терморегулирующих компонентов оболочки одежды: натуральная кожа, искусственная кожа, вспененная резина, силиконовая пластина.

В соответствие с ГОСТ 26254-84 [14, с. 13] термическое сопротивление определяют по формуле 1:

                                                              (1)

где t_в  - температура внутренней поверхности материала, ˚С;

      t_н – температура внешней поверхности материала, ˚С;

      q – плотность теплового потока, Вт/м².

Теплопроводность определяют по формуле 2:

                                                                (2)

где δ - толщин утепляющего материала, м;

Тепловой поток для отобранных материалов установлен с помощью измерителя теплового потока ИТП-МГ4.03 «Поток» [15, c. 1].

Условия и средства исследований: микроклиматическая камера (ГОСТ Р 12.4.185-99 [16]); градиент температуры 25-30 С; относительная влажность воздуха 50±5 %, время непрерывных изменений – 1 час, интервал фиксирования измерений 5 мин.

Рассчитана объемная плотность отобранных материалов.

Экспериментально установленные теплофизические характеристики отобранных материалов представлены в соответствии с рисунком 1.

Рисунок 1. Термическое сопротивление материалов натуральная кожа (а), искусственна кожа (б), вспененная резина (в), силиконовая пластина (г)

В результате проведенных исследования установлены тренды взаимосвязи толщины материалов и их термического сопротивления для выбранных образцов натуральной кожи, искусственной кожи, вспененной резины и силиконовой пластины.

Выявлено наибольшее значение термического сопротивления для исследуемых материалов: 0.077 м²*°С/Вт соответствует толщине натуральной кожи 0.003 м; 0.065 м²*°С/Вт для толщины искусственной кожи 0.003 м; 0.053 м²*°С/Вт для толщины вспененной резины 0.003 м; 0.154 м²*°С/Вт для толщины силиконовой пластины 0.003 м. Минимальное значение термического сопротивления выявлено у вспененной резины, а максимальное значение у силиконовой пластины, что позволило выделить  силиконовую пластину толщиной 0.003 м для изготовления полимерной основы для терморегулирующих компонентов оболочки одежды.

Выявленная толщина материалов становится критерием для определения геометрических парамером теплопроводных материалов, которые могут быть интегрированы в тонкий слой оболочки одежды из представленных полимерных материалов в виде направленного контура.

Список литературы:

1. ГОСТ 12.4.303-2016 Система стандартов безопасности труда. Одежда специальная для защиты от пониженных температур. Дата введения 2019-07-01. – М.: Стандартинформ, 2016. – 40 с.
2. Stephanie L. Green, Jennifer N. Boger, Alex Mihailidis Toward Enabling Winter Occupations: Testing a Winter Coat Designed for Older Adults // Canadian Journal of Occupational Therapy. – 2011. – 78(1).– 57-64 DOI: 10.2182/cjot.2011.78.1.8
3. Thermo-Mechanical Behavior of Textile Heating Fabric Based on Silver Coated Polymeric Yarn / Syed Talha Ali Hamdani, Prasad Potluri and Anura Fernando // Materials. – 2013. – Pp. 1072-1089.
4. Riikka Holopainen A human thermal model for improved thermal comfort / Thesis for the degree of Doctor of Science in Technology / Dissertation. – Espoo. – 2012. – VTT Science 23. – 141 p.
5. Cherunova I., Kornev N., Jacobi G., Treshchun I., Gross A., Turnow J., Schreier S., Paschen M. Application of calculations of heat transfer and computational fluid mechanics to the design of protection cloths. Engineering and Physics Journal. 2014. Т. 87. № 4, pp. 829-837.
6. Thermal Conductivity of Polymeric Composites: A Review / I.A. Tsekmes, R. Kochetov, P.H.F. Morshuis, J.J Smit // IEEE International Conference on Solid Dielectrics. –  Bologna, Italy. – June 30-July 4, 2013. – Pp. 678-681.
7. Stenkina M.P. Investigation of the structure and properties of flexible polymeric materials for integration with thin heat conductors // VIII International Conference on Textile Composites and Inflatable Structures, Structural Membranes 2017, 9-11 October, Munich, Germany. – pp. 210-216. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=32214104 (Scopus)
8. Стенькина М.П., Способы искусственной тепловой защиты объектов в условиях критического холода / М.П. Стенькина, И.В. Черунова // Международный студенческий научный вестник. – Пенза, 2016. – №3-1. – С. 103-104.
9. Афанасьева Р.Ф. Полимерные материалы в производстве костюма для военнослужащих Арктики / Р.Ф. Афанасьева, Н.В. Тихонова, А.Б. Михайлов, Т.М. Осина, И.Д. Михайлова, В.Т. Прохоров // Вестник технологического университета. –2015. – Т.18. – №15. – С. 155-158.
10. Пат. 2558409 Российская Федерация, МПК B63C11/28 (2006.01), B63C11/04 (2006.01), H05B3/36 (2006.01). Электрообогревательная водолазная одежда / Б.Г. Еремин, С.В. Мартынов, В.П., В.П. Ситников, О.В. Смирнова, А.В. Сытова, В.Б. Удовиченко, А.Г. Мурашов, А.Н. Царьков; заявитель и патентообладатель Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики». – № 2014111305/11. – заявл. 26.03.2014. – опубл. 10.08.2015. – Бюл. № 22. – 5 с.
11. Пат. 176 282 Российская Федерация, МПК A41D13/00 (2006.01). Обогревающий жилет / Б.Г. Еремин, С.В. Мартынов, О.В. Смирнова, А.В., Еремин, В.В. Никитенко, А.С. Бутранов, Д.С. Альфер, А.С. Бузенкова, заявитель и патентообладатель Б.Г. Еремин, С.В. Мартынов, О.В. Смирнова, А.В., Еремин, В.В. Никитенко, А.С. Бутранов, Д.С. Альфер, А.С. Бузенкова. – № 2017110152. – заявл. 27.03.2017. – опубл. 15.01.2018. – Бюл. № 2. – 7 с.
12. Пат. 177588 Российская Федерация, МПК A45C 11/24 (2006.01),A45C2011/002 (2006.01), A45C2011/003 (2006.01) Чехол для защиты мобильной электроники от пониженных температур/ И.В. Черунова, М.П. Стенькина, Е.Б.Стефанова, П.В. Черунов; заявитель и патентoобладатель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ). – № 2017112579. – заявл. 12.04.2017. – oпубл. 01.03.2018 . – Бюл. № 7. – 4 с.
13. Черунова И.В. Теплозащитное снаряжение с функцией трансформируемой терморегуляции / И.В. Черунова, М.П. Стенькина Научный журнал «Костюмология» / Journal of Clothing Science https://kostumologiya.ru 2019. – №4. – Том. – 11 с.
14. ГОСТ 26254-84 Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. – Москва, ИПК Издательство стандартов, 1985. – 27 с.
15. Измеритель плотности теплового потока и температуры ИТП-МГ4.03/Х(У) «Поток»/ Руководство по эксплуатации Технические и метрологические характеристики. – ООО «СКБ Стройприбор», Челябинск. – 26 с.
16. ГОСТ Р 12.4.185-99 ССБТ. Средства индивидуальной защиты от пониженных температур. Методы определения теплоизоляции комплекта. – Москва, ИПК Издательство стандартов, 2000. – 16 с.