02 марта 2016г.
Современное развитие ряда крупных промышленных отраслей сосредоточено в северной территории России с суровыми климатическими условиями. В обычных условиях теплозащитная одежда в совокупности с адаптационными возможностями человека способна обеспечить комфортный уровень теплообмена со средой и поддерживать оптимальную температуру поверхности тела человека. В условиях экстремальных температур (при -50ºС и ниже), теплорегулирующая функция одежды выполняется недостаточно и возникает необходимость использования активных способов регулирования теплообмена.
В основе активного обогрева лежит применение дополнительных нагревательных элементов или активных систем термостабилизации. Современные изделия с электрообогревом обладают небольшим весом, комфортны в эксплуатации. Однако в условиях промышленности использование одежды с электрообогревом имеет ряд ограничений: не всегда возможно применение в конкретных условиях производства, недостаточная надежность обогревающей системы, сложная и дорогостоящая технология изготовления, опасность накопления статического электричества.
Альтернативой для поддержания комфортного состояния человека может являться применение теплоаккумулирующих материалов (ТАМ). В настоящее время использование данной системы поддержания комфортного состояния тела человека является перспективным. Теплоаккумулирующие материалы нашли широкое применение в одежде для различных условий эксплуатаций.
В основном на рынке представлены зарубежные разработки. Существуют и отечественные аналоги, но, к сожалению, их ассортимент ограничен. В качестве ТАМ в одежде распространение получили неорганические соли (для охлаждения и согревания тела человека) и органические соединения (парафины) с температурой плавления выше 37 ºС.
Были рассмотрены существующие конструктивные решения обогревающих элементов с ТАМ для применения в одежде [2]. Если ТАМ органического происхождения, то внутри емкости располагается электронагреватель. Нагрев элементов осуществляется от источника электропитания в течение 15-20 мин. Достоинством рассмотренных элементов является продолжительность времени, в течение которого они способны сохранять тепло (до 2 часов). Этому способствует относительно высокая температура плавления веществ. Недостатками таких элементов являются необходимость дополнительного источника разогрева ТАМ.
Для ТАМ неорганического происхождения необходимо устройство для инициации процесса кристаллизации. Жесткость конструкции затрудняет эргономику человека. Элементы имеют сложность в изготовлении. Кроме того, неорганические соли могут вызывать аллергические реакции.
Учитывая тот факт, что при фазовом переходе ТАМ претерпевает изменение объема и формы вещества, возникает необходимость размещения его в герметичной емкости: капсулы, брикеты или создание композитов на основе ТАМ. Брикет с ТАМ может быть съемным или зашит между слоями изделия. Единое изделие с ТАМ затрудняет стирку и чистку, замену брикета с ТАМ в случае его повреждения.
Из последних достижений известна система Scout, разработанная совместно фирмами Sympatex Technologies GmbH и Outplast Europe GmbH (Германия) и материал ComfortTemp®, созданный швейцарской фирмой Schoeller. Данные материалы содержат сферические микрокапсулы, заполненные парафином. Капсулы интегрированы в синтетические волокна, из которых производятся нити. Из них можно ткать, вязать, а так же комбинировать для получения необходимого изделия. Нагревание основано на ускорении движение молекул в процессе нагревания теплом тела человека.
Из проведенного анализа можно сделать вывод, что в большинстве случаев при использовании элементов с ТАМ необходим их предварительный нагрев. Технологичным решением будет являться «работа» ТАМ от тепла человеческого тела. Учитывая критерии оптимального теплового состояния человека, его переменную физическую активность и теплопродукцию были выбраны ТАМ с фазовым переходом в требуемом диапазоне температур 28 - 35°С [1].
Так как проектируемый элемент предполагает поглощение тепла теплоаккумулирующим материалом от тела человека, возникает вопрос конструктивного решения элемента.
На основе проведенного анализа конструктивного решения существующих элементов с ТАМ можно сформулировать требования к элементу с ТАМ: возможность изъятия элемента из изделия (съемность), отсутствие предварительного нагрева элемента, мягкость оболочки элемента, гигиеническая безопасность оболочки, простота в изготовлении элемента, удобство при эксплуатации.
Проектируемый элемент с теплоаккумулирующим материалом представляет собой слой оболочки, на который наклеены отсеки прямоугольной формы из того же материала оболочки. Отсеки заполнены теплоаккумулирующим материалом. Элементы с ТАМ являются съемными, что значительно облегчит уход за изделием (чистка, стирка), даст возможность замены отсека в случае его повреждения, а также позволит удалить его из изделия, в случае отсутствия необходимости его использования. Элементы выполнены отдельно для каждой области: грудь, живот, область лопаток и область поясницы. Это не ограничивает эргономику человека, уменьшает массу изделия, не затрудняет испарение пота с поверхности кожи, обеспечивает мягкость конструкции и удобство при эксплуатации.
Во время нагревания парафина, начинается фазовый переход из твердого состояния в жидкое. Поэтому подобраны материалы, не пропускающие жидкий парафин. Требованиями к материалам оболочки теплозащитного элемента являются: непроницаемость парафина, гигиеничность, мягкость, легкость, возможность чистки, возможность многократного использования. Проанализировав рынок имеющихся материалов, было установлено, что предъявляемым требованиям соответствуют текстильные мембранные материалы.
Так как мембранные материалы являются термопластичными, то, учитывая условия современной швейной промышленности, наиболее доступным для изготовления элемента является оборудование для герметизации шва горячим воздухом, работающее по принципу термоконтактной сварки. Соединение отсеков осуществляется накладным швом с помощью специальной клеевой герметизирующей ленты, рекомендуемой для обработки мембранных материалов. Клеевая герметизирующая лента обеспечивает отсутствие проколов иглы, высокую прочность и герметичность шва. В то же время шов сохраняет свою эластичность. Приклеивание производится с изнаночной стороны материала, т.е. со стороны мембраны. В качестве оболочки для теплозащитного элемента рекомендуются мембранные материалы O-TECH 2L и O-TECH 2,5L [2].
Отдельный элемент включает в себя некоторое количество отсеков, в которые помещен ТАМ (парафин). Расположение отсеков может быть регулярным или со смещением, для предотвращения жесткости конструкции. На Рисунке 1 представлены схемы расположения отсеков с ТАМ. Количество и размер отсеков определяется местом расположения элемента. По верхнему краю элемента с изнаночной стороны настрочена тесьма велькро для фиксирования кармана в изделии. Заполнение отсека производится парафином в твердом состоянии. Для этого предварительно парафин кристаллизуют в специальных формах.
Список литературы
1.
Лебедева, Е.О. Выбор теплоаккумулирующего материала для применения в теплозащитной одежде [текст]/ Е.О. Лебедева, Д.Н. Сорокина, Н.В. Смирнова // Текстильная промышленность - 2011 г. - № 7 – С. 16-18.
2.
Сорокина Д.Н. Разработка и исследование специальной теплозащитной одежды с теплоаккумулирующим материалом [Текст]:
автореф. дис…канд.
техн. наук: 05.19.04
/ Д.Н. Сорокина. - Шахты, 2012.- 20 с.
