Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВИТИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОМПОЗЦИЙ ДЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

Черунова И.В. 1 Милютина Г.Р. 1
1 Институт сферы обслуживания и предпринимательства Донского государственного технического университета
В настоящей работе представлены разработки и результаты исследования наноструктурных полимерных композиций для обеспечения безопасности жизнедеятельности человека. Отражена востребованность повышения качества современных утеплителей для улучшения их потребительских свойств. Выделены основные свойства вспененного полистирола, подтверждающие его обоснование к применению в одежде и снаряжении. Экспериментально обосновано использование вспененного полистирола для производства защитной одежды и снаряжения. Установлены параметры теплопроводности и теплового сопротивления вспененного полистирола в соответствии с ГОСТ 20489-75 и выполнены сравнительные аналитические исследования ассортимента современных утепляющих материалов. В результате исследования установлено, что вспененный полистирол имеет уровень теплового сопротивления для применения в одежде, близкий к самым эффективным традиционно применяемым наноструктурным материалам, и является перспективным материалом, который может быть использован в легкой промышленности.
вспененный полистирол
теплопроводность
безопасность жизнедеятельности
наноструктурные материалы
производство одежды и снаряжения.
1. Анализ рынка теплоизоляционных материалов в России (демо) [Электронный ресурс] / Агентство маркетинговых исследований DISCOVERY RESEARCH GROUP // Код доступа: http://www.drgroup.ru/279-issledovanie-rossiiskogo-rinka-teploizolyacionnix-materialov.html. – 2014.
2. Бринк И.Ю. Методологические основы проектирования одежды с пуховым наполнителем: Дисс. на соиск. уч. степ, д.т.н. / И.Ю. Бринк. // Москва: МГУДТ. – 1995. – 306 с.
3. ГОСТ 20489-75 «Материалы для одежды. Метод определения суммарного теплового сопротивления» [Текст] / Государственный комитет Союза ССР по стандартам. Введен в действие 01.01.1976 // Москва: Издательство стандартов. – 1986. – 12 с.
4. ГОСТ 427-75 «Линейки измерительные металлические. Технические условия» [Текст] / Государственный комитет Союза ССР по стандартам. Введен в действие 01.01.1977 // Москва: Издательство стандартов. – 1992. – 7 с.
5. ГОСТ 166-89 «Штангенциркули. Технические условия» Технические условия» [Текст] / Государственный комитет Союза ССР по стандартам. Введен в действие 01.01.1991 // Москва: Издательство стандартов. – 1992. – 10 с.
6. Измеритель плотности тепловых потоков и температуры ИТП-МГ4.03/Х(У) «Поток». «Руководство по эксплуатации. Технические характеристики» [Текст] / ООО «СКБ Стройприбор: Челябинск, 2011. – 26 с.
7. Какой утеплитель выбрать для защиты от холода? [Электронный ресурс] // Код доступа http://rustm.net/catalog/article/615.html. – 2002.
8. Метелев А. Что такое вспененный полистирол [Электронный ресурс] / HANGZHOU FANGYUAN PLASTICS MACHINERY CO., LTD // Код доступа http://fang-yuan.su/chto-takoe-eps.
9. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи [Текст] / М.А.Михеев, И.М.Михеева // Москва: Энергия. – Издание 2-е (перераб). – 1977. – 344с.
10. Об оценке качества нетканых утеплителей [Электронный ресурс] // Код доступа http://www.lp-magazine.ru/lpmagazine/2011/08/348. – 2011.
11. Сидоров И.А. Российский рынок теплоизоляции [Текст] / Эффективная теплоизоляция. – 2007. – №4. – С. 39–43.
12. Черунова И.В. Новые технологии расчета конструкций теплозащитной одежды [Текст] / И.В.Черунова // Известия высших учебных заведений. Технология легкой промышленности. – 2009. Т. 4. № 2. – С. 51–54.
13. Черунова И.В. Развитие технологических решений для теплозащитной одежды [Текст] / И.В. Черунова, Е.Б. Стефанова, А.В. Меркулова // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 8-1. С. 34–36.

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].

cher1.tif

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]:

сher4.wmf. (1)

Расчетный коэффициент теплопроводности образца ? (Вт/м2 °С) является отношением толщины испытываемого образца h к его термическому сопротивлению R:

сher5.wmf. (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.

сher2.wmf

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:

сher6.wmf, м2 °С/Вт;

сher7.wmf, 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). cher3.tif

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.


Библиографическая ссылка

Черунова И.В., Милютина Г.Р. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВИТИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОМПОЗЦИЙ ДЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-10. – С. 2153-2156;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35286 (дата обращения: 08.05.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074