ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ПАКЕТОВ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ НИЗА ОБУВИ

АННОТАЦИЯ

В статье определено основное назначение и функции основных и вкладных стелек; требования к материалам вкладных стелек; влияние конструкции стелек и толщины на теплопроводные свойства обуви; определена зависимость теплозащитных свойств комплектов обувных стелечных материалов от толщины скрепляемых материалов и их теплозащитных свойств. Результаты исследований показали, что традиционно используемые пакеты материалов для низа обуви обеспечивают длительное комфортное пребывание стопы только при температуре окружающей среды первого периода носки обуви, т.е. при минус -5,0 ÷- 19,9⁰С  и оказались неприемлемыми для длительной носки при температуре минус -25⁰С и ниже.

ABSTRACT

The article defines the main purpose and functions of basic and insert insoles; requirements for insert insole materials; the influence of insole design and thickness on the thermal properties of footwear; and determines the dependence of the thermal protection properties of footwear insole material sets on the thickness of the bonded materials and their thermal protection properties. The results of the research showed that traditionally used packages of materials for the bottom of shoes provide long-term comfort for the foot only at the ambient temperature of the first period of shoe wear, i.e., at minus -5.0 ÷- 19.9⁰C , and proved to be unacceptable for long-term wear at temperatures of minus -25⁰C and below.

Ключевые слова: теплопроводность, тепловое сопротивление, период носки, температура, материал, стелька, обувь, защита от холода, коэффициент теплопроводности.

Keywords: thermal conductivity, thermal resistance, wear period, temperature, material, insole, footwear, cold protection, thermal conductivity coefficient.

Введение. Актуальна качественная защита от холода – теплая одежда, головные уборы и обувь. Особое внимание рекомендуется уделять ногам, т.к. стопы мерзнут наиболее часто, и это приводит к простудным заболеваниям. А если переохлаждение повторяется регулярно, то высока вероятность появления болезней почек, мочеполовой системы, ревматизма. Эффектным средством для профилактики данных неприятных последствий являются теплые вкладные стельки для обуви.

Сегодня можно найти тысячи моделей различной обуви, которые предназначены для ежедневной носки, спорта, профилактики и т.д. При этом каждая из разновидностей имеет свои особенности. Но, ни одна обувь не могла бы стать столь комфортной, если бы не использовались стельки, которые представлены в невероятно широком ассортименте.

Стельки относятся к внутренним деталям обуви и подразделяются на основные затяжные и вкладные стельки. Затяжная стелька служит основанием, к которому прикрепляются заготовка и почти все детали низа обуви. Функции стелек вытекают из их роли в образовании крепления низа, работы стопы и её физиологических отправлений. Являясь промежуточным связующим звеном между верхом и подошвой, затяжные стельки обуславливают общую надёжность крепления низа обуви: разрушение по тем или иным причинам стельки влечёт за собой ослабление взаимного скрепления деталей верха и низа обуви. Поэтому стелька должна быть стойкой к процессам истирания, изгиба и сжатия, прочной, плотной и не ломкой, чтобы удерживать гвоздь и нитку, а также обладать способностью впитывать пот, выделяемый стопой в процессе носки. [1]

Вкладная стелька — это дополнительная деталь для верха обуви, повторяющая форму основной стельки, и используется для обеспечения комфорта и снижения нагрузки на суставы стопы и ноги при ходьбе. Вкладная стелька также  используется для улучшения вида внутри обуви,  гигиенических свойств обуви. [2] Вкладные стельки, изготовленные из материалов с высокой влагоемкостью и теплозащитностью, способны обеспечить экозащиту, гигиенический и тепловой комфорт закрытой обуви в течение определенного времени носки обуви. Материалы для вкладной стельки должен быть стойкими к истиранию во влажных условиях, пластичными, обладающими хорошими гигиеническими свойствами, устойчивостью к истиранию и воздействию пота.

Рисунок 1. Общий вид стельки

Объекты и методы исследования. Вкладные стельки, используемые в соответствии с требованиями носки обуви, имеют лечебные свойства: предупреждают развитие заболеваний стоп, улучшают кровообращение ног, повышают устойчивость стопы, предотвращают дискомфорт и болезненность в ногах, снижают нагрузку на суставы и позвоночник, устраняют возникновение варикоза, отеков, натоптышей и мозолей.

Вкладная стелька располагается в обуви непосредственно под плантарной поверхностью стопы. Она наиболее плотно соприкасается с ногой, поэтому её поверхность должна быть приятной на ощупь, не вызывать раздражение кожи, не скользящая, не деформирующаяся и  хорошо впитывающая пот.

По форме она практически полностью соответствует основной стельке, но имеет незначительные отклонения по размерам. Так например, вкладная стелька для закрытой обуви (туфли, полуботинки) в носочной части должна быть укорочена по отношению к основной стельки на 2,0 – 3,0 мм по длине и на 1,0–2,0 мм заужена по ширине для удобства вкладывания в готовую обувь [3].

Традиционно вкладные стельки изготавливают из разных материалов, например  из мягких видов подкладочной кожи, текстильных или нетканых материалов, кожаных спилков, искусственных и синтетических кож. Также существуют и утепленные стельки, которые производятся из полушерстяных или шерстяных тканей, искусственного или натурального меха, войлока. [4]

Поскольку около 50% выделяемого стопой пота должно быть поглощено стельками, стелечные материалы должны иметь большую поглощающую способность влаги (пота), а после снятия обуви с ноги носчика обеспечивать быструю влагоотдачу.

Стелечные материалы должны быть формоустойчивы, устойчивы к многократному изгибу, эластичны, не изменять своего объема после увлажнения и последующего высушивания. Материал для стелек не должен выкрашиваться во время эксплуатации обуви, истираться или сплющиваться. Требуется высокая стойкость краев стельки для обеспечения правильной формы низа обуви. Стелечные материалы не должны содержать вредных для здоровья (токсичных) химических соединений и веществ, способствующих развитию микроорганизмов.[5]

Стельки должны иметь способность к пластической деформации под влиянием внешних напряжений, возникающих во время ходьбы, и приформовываться к стопе носчика во время эксплуатации обуви.

Естественно, что тот дополнительный теплозащитный эффект, который вносится вкладной стелькой, зависит от вида стелек и тепловых свойств материалов, из которых они изго­товлены.

В табл. 1 приводятся данные о влиянии вкладных стелек различных конструкций на теплозащитные свойства обуви.

Таблица 1.

Влияние вкладных стелек на теплозащитные свойства обуви

Как видно из данных табл. 1 вкладные стельки различных видов неодинаково влияют на теплозащитные свойства обуви. Вкладные стельки из тонких утепленных тканей (байки, хлопчато­бумажные и полушерстяные) не оказывают заметного влияния на показатели теплозащитных свойств обуви. Если же учесть, что такого рода стельки обычно прикрепляются в обуви клеевым методом, а это приводит к пропитыванию клеем стельки и несом­ненно снижает их теплозащитные свойства, то нетрудно установить, что положительный тепловой эффект от таких стелек в обуви совер­шенно неощутим.

Поскольку вкладные стельки выполняют двойную роль: повы­шают теплоизолирующую способность низа и являются известным аккумулятором пота, они, естественно, для нормального выполнения этих двух функций должны регулярно выниматься и просу­шиваться. Влажные и загрязненные вкладные стельки не могут впитывать пот и не создают эффективной тепловой защиты стопы со стороны низа обуви.

Особенность вкладных стелек, заключающаяся в том, что они конструктивно не скреплены с верхом или низом обуви, является положительным фактором для создания конструкций обуви, обладающей высокими эксплуатационными свойствами.

В зависимости от назначения, вкладные стельки могут иметь различную конструкцию. Вкладные стельки могут быть одно- или многослойными. Последние подразделяются на виды, в одном все слои выполнены из одного материала, в других — из разных видов материалов. [6]

В последние годы в связи с повышенными требованиями к защитным свойствам обуви, в мировой практике произошли значительные инновации в конструкциях и используемых материалов для вкладных стелек. К инновациям в конструкциях вкладных стелек относятся: стельки с подогревом; многослойная стелька из кожи и активированного угля для равномерного распределения нагрузки на стельку при ходьбе;  антибактериальные силиконовые стельки с идеальной амортизацией; теплозащитные многослойные стельки из полимерной, пробковой и шерстяных слоев и т.д.

Результаты и обсуждение. С целью определения оптимальной по теплозащитным свойствам материалов для вкладной стельки зимних сапог для военнослужащих, в данной работе проведено исследование суммарных тепловых сопротивлений традиционно используемых для производства обуви пакетов материалов для низа обуви.  

В ранее проведенных исследованиях [7-10] по определению теплопроводных (теплозащитных) свойств подкладочных обувных материалов сделаны следующие заключения:

- традиционно для производства утеплённой обуви в качестве подкладки использовали натуральные и искусственные меха;

- значительное влияние на теплопроводные свойства искусственного меха оказывает содержание шерсти в составе материала;

- толщина прокладочных материалов существенно влияет на показатели теплопроводности – чем толще материал, тем выше показатели защитных свойств материалов;

- теплозащитные свойства у натуральных и искусственных мехов колеблется в небольших пределах – от 54,6% до 72,2%, низкий показатель теплопроводных свойств у фетра.

Следовательно, путём подбора материалов для верха и низа обуви можно создать обувь различных теплозащитных свойств. Под теплозащитными свойствами понимают способность обуви поддерживать теплообмен стопы на нужном для организма уровне. В зимних условиях носки обуви эти свойства характеризуются способностью предохранять, изолировать стопу человека от излишних тепловых потерь.

Таким образом, при проектировании обуви для использования в экстремальных условиях, чтобы продлить носчику время комфортного пребывания в условиях воздействия на стопу повышенных температур, необходимо подбирать соответствующие материалы, формирующие пакеты для верха и низа  обуви.

При характеристике про­цесса прохождения тепла через материалы и оценке теплозащит­ных свойств рассматривают, прежде всего, коэффициент теплопровод­ности (теплозащитности) материалов.

Материалы, применяемые для изготовления обуви, могут иметь самую различную толщину. С увеличением толщины материала его теплоизоляционная способность, естественно, возрастает. По­этому теплоизоляционные свойства (а в нашем случае это тепло­защитные свойства) отдельных обувных материалов характери­зуются величиной, прямо пропорциональной толщине и обратно пропорциональной коэффициенту теплопроводности материала. Эта величина называется термическим или тепловым сопротивлением материала. [11]

Таким образом, тепловое сопротивление элементарного слоя материала составляет:

,

где  Р — тепловое сопротивление слоя,  м^{2 0}С/Вт.;

δ — толщина материала, м;

λ — коэффициент теплопроводности, Вт/м·⁰С

В случае, когда мы имеем не простой элементарный слой мате­риала, а систему, состоящую из ряда слоев и прослоек, тепловое сопротивление всей системы определяется суммой сопротивлений всех элементарных слоев материалов и воздушных прослоек, а также величиной сопротивлений переходу тепла из воздушной прослойки следующему слою материала (внутренние поверхностные сопротивления). [12] Эта схема образования теплового сопротивления системы материалов из сопротивлений их элементарных слоев может быть применима и для характеристики верха и низа обуви. Изложенное выше может быть выражено в виде уравнения

,

где  — тепловое сопротивление верха или низа обуви;

— сумма тепловых сопротивлений отдельных элементар­ных, слоев материалов и прослоек воздуха внутри системы;

— сумма тепловых сопротивлений воздушных прослоек в наибольшей степени зависят от конструктивных особенностей низа обуви. Так как в исследуемых моделях обуви конструктивные особенности низа обуви остаются неизменными, то при определении суммарного теплового сопротивления  величина сопротивлений воздушных прослоек остается постоянной и в расчёте не учитывается. [13- 14]

Учитывая, что суммарное тепловое сопротивление низа обуви, состоящих из нескольких слоев, равно сумме теплоизоляционных свойств этих слоев, то для одного и того же пакета материалов с вкладными стельками для традиционного вида зимней обуви составляет:

В данном исследовании проведен анализ литературных и экспериментальных данных по определению зависимости теплозащитных свойств комплектов обувных стелечных материалов от толщины скрепляемых материалов и их теплозащитных свойств.

Таблица 2.

Тепловое сопротивление пакетов материалов для низа обуви

Анализ тепловых сопротивлений, традиционно используемой для зимней обуви, пакетов материалов позволил сделать заключение о том, что тепловое сопротивление пакетов низа обуви из различных материалов колеблется  от ∑0,170 до ∑ 0,275 м^{2 0}С/Вт и соответствует  нормативному тепловому сопротивлению 0,23 -0,32 м^{2 0}С/Вт.  для первого периода носки при температуре - 5,0÷- 19,9 ⁰С [2-3]

Заключение. Результаты исследований показали, что традиционно используемые  пакеты материалов для низа обуви обеспечивают длительное комфортное пребывание стопы только при температуре окружающей среды первого периода носки обуви , т.е. при минус -5,0 ÷- 19,9⁰С  -5⁰С и оказались неприемлемыми для длительной носки при температуре минус -25⁰С и ниже, т.е. необходимо продолжить исследование по разработке и созданию новых пакетов материалов с такими теплофизическими характеристиками, чтобы гарантировать носчику комфортное пребывание в течение второго периода носки обуви.

Список литературы:

1. Ниязова М.С., Максудова У.М., Эргономические свойства обуви, обеспечивающие её комфортность, МНПК,“Инновационное развитие в технике и технологии промышленности”, Москва, 2022.- 39-42 с.
2. Михайлов А.Б. и др., Оценка эффективности создания комфортных условий человеку в климатических зонах с пониженной температурой//Изв. вузов. Сев.-Кавк. Регион. Технические науки. - 2010.- № 2.-С. 107-114.-Библиогр.: С.144.
3. Артемова А.Ю. и др. Анализ предпочтений выбора материалов для обуви с целью обеспечения комфортных условий стопе носчика при воздействии на неё пониженных температур, Сборник научн. трудов «Техническое регулирование» ЮТГУЭС, 2013, 110-113.
4. Ниязова М.С., Максудова У.М., Роль вкладной стельки, МНПК, “Инновационное развитие в технике и технологии промышленности”, Москва, 2022, С. 219-222
5. Strong A.B. Plastics: Materials and processing. 3 rd edition. New Jersey: Pearson Education Inc., 2006. P.236-237.
6. Тужилов, А.А. Гигиенические аспекты решения проблемы военной полевой обуви в иностранных армиях (научно-исторический обзор) / А.А. Тужилов // Проблемы содержания запасов материальных средств и техники тыла ВС РФ: Мат. военно-науч. конф. - CПб: BATT, 2002-C. 203-212
7. Ниязова М.С., Мирзаев Н.Б., Максудова У.М., Исследование теплопроводных свойств подкладочных обувных материалов, Журнал  «Проблемы текстиля», № 2, 2017, С.88-93
8. Maksudova U. M., Pazilova D. Z., Niyzova M.C., Abdurakhimov Z.N.. , Тhermal conductivity of lining materials for winter,  The 1st International scientific and practical “Modern directions of scientific research development” (July 7-9, 2021) Boscience Publisher, Chicago, USA. 2021. 328-333 (562) p.
9. Ниязова М.С., Позилова Д.З., Абдурахимов З.Н., Максудова У.М., Исследование теплопроводных свойств меха для обуви, Advances in Science and Technology, Сборник статей XXXVIII МНПК, Москва: «Научно-издательский центр «Актуальность.РФ», 2021. – (128) с.51-54
10. Maksudova U. M., Pazilova D. Z., Niyzova M.C., Abdurakhimov Z.N.., Qualitative indicators of a fibrous semi-finished product (wool) for the base of a layered non-woven material, Vlana a tetil. Fibres end Textiles. (3) 28 September 2021. P. 62-66 Bratislava, Indexed SCOPUS Chemical Absracts Worid Nextiles
11. Осина Т.М., Особенности защиты человека от воздействия низких температур: монография/ - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2008.- 31 бс.
12. Ниязова М.С., Ахмадов Х.Н., Максудова У.М., Инновационные технологии в производстве композиционных подкладочных материалов/ Журнал «Композиционные материалы», №2, 2019 г., С.122-124.
13. Добня Б.Е., Никитин А.А., Татарчук И.Р., Совершенствование теплозащитной производственной обуви для условий крайнего севера/ Ж «Кожевенно обувная промышленность», Москва, № 1, 2012, С.23-25
14. Осина Т.М., Михайлова И.Д., Прохоров В.Т., Жихарев А.П., Разработка и исследование пакетов материалов для защиты стопы от воздействия низких температур/ журнал «Технические науки», Известия вузов северокавказского региона, № 1, 2009, с. 131-135