На сегодняшний день известен ассортимент наноструктурных материалов для одежды и снаряжения, обладающих высокими теплозащитными показателями. На Российском рынке наблюдается повышение качества и потребительских свойств утеплителей благодаря применению современных технологий их производства [11]. Темпы роста теплоизоляционных материалов различного назначения позволяют отнести их в группу перспективных в производственном секторе (рис. 1), [1].
Рис. 1. Динамика объема рынка теплоизоляционных материалов [1]
Существует ряд работ, посвященных исследованию и выбору специальных материалов в теплозащитный пакет одежды и снаряжения. Однако задачи повышения эффективности такой защиты и применения новых наноструктурных композиций остается в зоне актуальных для реше ния задач [13].
Уже более 60 лет вспененный полистирол является основным термоизоляционным, звукоизоляционным и виброизоляционным материалом, применяемым в технических целях. Вспененный полистирол (пенополистирол) – полистироловые гранулы, наполненные пентаном и подогретые паром для расширения их в объеме [8]. Вспененный полистирол применяют в самолетостроении для облегчения конструкции беспилотных летательных аппаратов, в аграрной среде для насыщения почвы кислородом, в качестве фильтрующего материала в установках для очистки жидкостей, в качестве наполнителей мягкой мебели, изготовления одноразовой посуды, упаковки пищевых и других продуктов. Массовое использование вспененного полистирола возможно благодаря его широким характерным свойствам: нетоксичный и экологически безопасный, отвечающий всем требованиям санитарно-гигиенических норм материалов; очень дешевый, благодаря тому, что на 98 % состоит из воздуха; долговечный, срок службы не менее 50 лет; пригоден для повторного использования; имеет структурную стабильность в широком диапазоне температур; обладает высокой стойкостью к биологическому воздействию и широкому ряду химических веществ; обладает высоким сопротивлением диффузии водяных паров; обладает высокой прочностью при низкой плотности; восстанавливает первоначальные размеры после деформации и сжатия; обладает низкой динамической жесткостью, обеспечивающей качественную звукоизоляцию от ударного шума; обладает очень низкой теплопроводностью, близкой к теплопроводности неподвижного воздуха. Вспененный полистирол производится, используется и утилизируется без ущерба для окружающей среды и здоровья людей, так как изделия из него не содержат хлорфторуглеродов, гидрофторуглеродов, гидро хлорфторуглеродов. Учитывая, что только высокоэффективные материалы способны удовлетворить возрастающие требования к ним в аспекте обеспечения безопасности жизнедеятельности человека, вспененный полистирол целесообразно исследовать и обосновать к применению [8, 12].
Цель исследования
Экспериментально обосновать возможность рассмотрения вспененного полистирола в качестве эффективного утепляющего материала для специальной теплозащитной одежды и снаряжения.
Материалы и методы исследования
Определение теплопроводности исследуемого в работе материала проводилось в соответствии с ГОСТ 20489-75 «Материалы для одежды. Метод определения суммарного теплового сопро тивления» [3].
Сущность метода заключается в измерении термического сопротивления R (м2 °С/Вт) образца толщиной h (м) в условиях созданного теплового потока, проходящего через этот образец. Термическое сопротивление образца определяется по результатам измерений плотности теплового потока q (Вт/м2) и температуры внутренней и наружной поверхности образца tв, tн (°С) по следующей формуле [9]:
. (1)
Расчетный коэффициент теплопроводности образца ? (Вт/м2 °С) является отношением толщины испытываемого образца h к его термическому сопротивлению R:
. (2)
Для измерения исследуемого в работе вспененного полистирола использовался измеритель плотности тепловых потоков ИТП-МГ 4.03 «Поток» (прибор прошел государственную поверку и имеет соответствующий сертификат № 42424-09, производитель ООО «СКБ Стройприбор») [6].
Испытания проводились на образцах вспененного полистирола формы прямоугольного параллелепипеда размером 250*250*40 (мм), (рис. 2). Размер одной гранулы полистирола 1 мм.
Рис. 2. Размеры образца вспененного полистирола
Измерение длины и ширины образцов проводилось с помощью линейки металлической [4] с пределом допустимой погрешности ± 0,5 мм. За результат измерений принималось среднее арифметическое значение измерений длины (ширины) образца в трех местах: 50 ± 5 мм от каждого края и посере дине образца.
Толщина образцов пенополистирола измерялась штангенциркулем [5] с пределом допустимой погрешности ± 0,1 мм. За результат измерений принималось среднее арифметическое значение измерений толщины образца в четырех местах посередине каждой стороны.
Результаты исследования и их обсуждение
Обработка полученных данных производилась в следующих программах: Стройприбор ИТП-МГ 4 «Поток», Microsoft Office Excel 2007, Corel Draw 12.0.
Полученные экспериментальные данные были архивированы в рамках программного обеспечения оборудования и далее обработаны в компьютерной среде. Результаты измерений теплового потока и температуры исследуемых образцов представлены в виде графика на рис. 3.
По формулам (1), (2) рассчитаны значения теплового сопротивления и теплопроводности исследуемого образца вспененного полистирола:
, м2 °С/Вт;
, Вт/м2 °С.
Современный ассортимент наноструктурных утепляющих материалов для одежды представлен рядом связных и несвязных композиций, обладающих хорошими теплозащитными и эксплуатационными свойствами. Полученное значение теплопроводности исследуемого образца утеплителя было проанализировано в сравнении с известными значениями теплопроводности утепляющих материалов одежды (таблица). 
Рис. 3. Результаты измерений исследуемых образцов вспененного полистирола
Коэффициент теплопроводности современных утепляющих материалов, в порядке убывания [2, 7, 10]
|
№ п/п |
Материал |
Коэффициент теплопроводности – λ, Вт/ м2 °С |
|
1 |
Шерстяной войлок |
0,052 |
|
2 |
Хлопок |
0,050 |
|
3 |
Ватин шерстяной |
0,043 |
|
4 |
Вата |
0,042 |
|
5 |
Искусственный мех |
0,041 |
|
6 |
Лен |
0,040 |
|
7 |
Синтепон |
0,039 |
|
8 |
Холлофайбер |
0,031 |
|
9 |
Вспененный полистирол |
0,030 |
|
10 |
Тинсулейт |
0,029 |
|
11 |
Перо-пуховая смесь |
0.0286 |
|
12 |
Воздух |
0,028* |
Примечание: * при температуре воздуха – 20 °С [2]
Выводы
Анализ полученных в работе данных показал, что развитие рынка производства и потребления теплоизоляционных материалов имеет устойчивые показатели роста и тенденции повышения качества продукции за счет расширения современных технологий использования наноструктурных полимерных композиций. В ряду многих теплозащитных материалов вспененный полистирол подтвердил свое качество экологической безопасностью, в том числе для производства товаров для детей, и проверенными в течение нескольких десятков лет теплофизическими и эксплуатационными свойствами в ряду секторов промышленности. По результатам проведенных экспериментальных и аналитических исследований были установлены характеристики теплопроводности и теплового сопротивления вспененного полистирола, который составил прямую конкуренцию по соответствующим теплофизическим показателям таким признанным материалам для одежды и снаряжения, как тинсулейт, холлофайбер, перо-пуховая смесь и другие, что позволяет сформировать рекомендации и возможности применения данного наноструктурного материала в производстве изделий обеспечения безопасности жизнедеятельности человека.
Работа выполнена в рамках Госзадания (№ 2838) Министерства образования и науки РФ в Донском государственном техническом университете.
Pецензенты:
Бринк И.Ю., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Моделирование, конструирование и дизайн» Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиала) ФБГОУ ВПО «Донской государственный технический университет», г. Шахты;
Алиева Н.З., д.ф.н, профессор кафедры «Естественно-научные дисциплины» Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиала) ФБГОУ ВПО «Донской государственный технический университет», г. Шахты.
Работа поступила в редакцию 02.09.2014.