Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

2.3 Материалы для специальной антиэлектростатической одежды

Проектирование антиэлектростатической одежды для комфортных температурных условий эксплуатации основывается на однослойных конструкциях материалов, где основной защитный эффект - это эффект ткани верха, заведомо содержащей максимальное количество натуральных волокон и специальные антиэлектростатические отделки или вложение углеродных и металлических нитей. Но картина накопления статического электричества зависит от свойств материалов, формирующих пакет, когда речь идет об одежде многослойной, состоящей еще из утеплителей и подкладки.

Защиту от низких температур и ветра обеспечивает теплозащитный пакет, который представляет собой совокупность нескольких слоев материалов в многослойной одежде. В зимней специальной одежде, как правило, используются конструкции пакетов, представленные на рисунке 2.3, где присутствуют материал верха, ветрозащитная ткань, утеплитель и подкладочная ткань. Верх костюма может эксплуатироваться в комплекте с пристегивающейся утепляющей подкладкой или с утепленным бельем, или и с тем и с другим. От выбора материалов, конструкции пакета и конструкции самого изделия в значительной степени зависят надежность и срок эксплуатации одежды, комфортность человека и производительность его труда. Степень теплозащиты, количество и состав слоев с учетом конкретных климатических условий и категорий выполняемых работ рассчитываются по методикам, которые подробно рассмотрены, изучены и описаны в работах известных научных школ Афанасьевой Р.Ф., Бринка И.Ю., Бекмурзаева Л.А. [53 - 57].

• Материалы верха, используемые для изготовления специальной защитной одежды от холода и статического электричества

 

Рисунок 2.3 - Структура теплозащитного пакета

Назначение материала верха в многослойном пакете одежды специального назначения - защита человека и всего пакета от первичного воздействия окружающей среды, обусловленного климатом и производственными условиями, с которыми он испытывает непосредственный контакт.

Существует мнение, что в спецодежде 80% защиты от вредных факторов обеспечивает именно ткань верха, а остальные 20% - конструкция и комплектующие модели [61 - 64]. Основным нормативным документом, определяющим качество материалов, используемых при производстве специальной одежды, является ГОСТ 11209 «Ткани хлопчатобумажные и смешанные для спецодежды» [65]. В то же время некоторыми предприятиями-изготовителями разработаны собственные Технические Условия, по которым выпускаются, в частности, ткани для специальной одежды.

Естественно, что приоритетными свойствами, по которым следует проводить отбор тканей верха для специальной одежды, являются защитные.

Для защиты от нефти, нефтепродуктов, масел и жиров применяются ткани с различными масло-, нефтеотталкивающими пропитками. Кроме этого, для защиты от нефти и нефтепродуктов в качестве дополнительных накладок могут быть использованы накладки из винилискожи или "дышащие" микропористые покрытия, представляющие собой тонкую гидрофобную пористую пленку, которая создает эффект масло-, нефте- водонепроницаемости [66].

Для защиты от электростатического поля используют ткани с высоким содержанием натуральных волокон, которые обладают антиэлектростатическими свойствами. Кроме этого натуральные материалы экологичны: не наносят вреда здоровью человека, не выделяют ядовитых веществ и паров. Ткани с антиэлектростатическими отделками и антиэлектростатическими нитями не обеспечивают защиты от поражения электрическим током при работе с источником тока различной мощности и другими электроприборами, а лишь защищают от накопления статического электричества, способствуя рассеиванию и стеканию зарядов. Следует отметить, что выбор только лишь одной ткани с высоким показателем удельного поверхностного сопротивления не решит проблему защиты от статического электричества, т.к. процесс электризации обусловлен взаимодействием всех слоев пакета материалов. Процесс стекания зарядов, обусловленный тканями верха с антиэлектростатическими свойствами, происходит с поверхности костюма (с верха костюма на брюки, с брюк на обувь и далее на землю) [67 - 69].

Одним из основных показателей электризуемости материала является его удельное поверхностное электрическое сопротивление, которое определяется в соответствии с ГОСТ 19616-74 "Ткани и трикотажные полотна. Метод определения удельного поверхностного электрического сопротивления" [70].

Для обеспечения теплозащитных свойств в пакет материалов вводится слой утеплителя, который обеспечивает необходимую теплоизоляцию. От покровной ткани не требуется высоких теплозащитных свойств, ее основная функция - защита от агрессивных факторов окружающей среды.

Специальная одежда - барьер для воздействия вредных факторов, в то же время она должна обеспечивать обменный баланс тела, не препятствовать полному выделению продуктов метаболизма человек (влага, углекислый газ) из пододежного пространства, т.е. наряду с защитными свойствами ткани, необходимо учитывать и гигиенические свойства.

Под гигроскопичностью понимается способность тканей собирать пары из воздуха, имеющего относительную влажность 98%. Гигроскопичные натуральные ткани легко впитывают влагу и легко отдают ее в окружающую среду. Негигроскопичные ткани накапливают влагу в пододежном пространстве, что вызывает потливость. Показатель гигроскопичности по ГОСТу должен быть не менее 5% [71 - 73]. Рассматривая ткани натуральные и комбинированные, состоящие из синтетических нитей и пряжи, нужно отметить, что вложение синтетических волокон способствует уменьшению гигроскопичности. При проектировании изделий для районов с повышенной влажностью окружающей среды необходимо учитывать влиянии гигроскопичности на основные защитные свойства пакета материалов.

Для обеспечения нормального влагообмена и газообмена (удаления углекислоты) материалы должны обладать высокой воздухопроницаемостью, обеспечивающей вентиляцию пододежного пространства. Воздухопроницаемость определяется по ГОСТ 12088-77 "Материалы текстильные и изделия из них. Метод определения воздухопроницаемости" [74]. Для спецодежды, эксплуатируемой в условиях пониженных температур и при сильном ветре, нужно подбирать ткани, имеющие малую воздухопроницаемость - не более 25 дм³/(м²∙с), что означает малую продуваемость, а оценивается как показатель ветрозащиты.

Специальная одежда эксплуатируется в течение полного рабочего дня. В условиях постоянного соприкосновения и трения с орудиями труда, при скольжении частей одежды друг об друга ткань быстро изнашивается. Стойкость материалов к истиранию характеризует одно из важных свойств одежды - ее долговечность в условиях интенсивного воздействия истирающих усилий. Определяется стойкость к истиранию числом оборотов головки прибора, истирающей материал, до разрушения материала (до дыры). Показатель стойкости материалов к истиранию должен быть не менее 1000 циклов [75].

Если профессиональная деятельность связана с необходимостью контакта с острыми предметами, разрывающими спецодежду, важным показателем является разрывная нагрузка (усилие, выдерживаемое пробными образцами материала при растяжении его до разрыва).

Показатели, характеризующие эксплуатационные и защитные свойства тканей, не должны изменяться более чем на 10% - 15% после 5-10 стирок.

Обязательно наличие отделок (наносится на готовую ткань) или пропиток (пропитываются волокна, ткань при этом более гигиенична, лучше «дышит»), позволяющих добиться изменения таких свойств, как: водо-, масло-, нефтеотталкивание, стойкость к истиранию и уменьшение степени загрязнения.

Ткань, используемая для верха защитного изделия, должна не только соответствовать перечисленным требованиям, но быть эстетичной и достаточно легкой.

В настоящее время производится достаточно большой ассортимент современных тканей верха, отличающихся качеством и наличием защитных свойств. С учетом соответствия основным требованиям, перечисленным в пункте 2.2 и согласно ГОСТ 11209 [65] и [76] в качестве материалов верха могут быть использованы представленные в таблице 2.5 хлопчатобумажные или смесовые ткани с антиэлектростатической нитью и отделкой для специальной одежды.

Таблица 2.5 - Пример современных материалов верха, используемых для специальной антиэлектростатической одежды.

Наименование ткани верха	Волокнистый состав, %	Поверхностная плотность, г/м2	Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом	Дополни-тельные пропитки
Премьер 210	35-х/б, 65-п/э	235	не более 107	МВО
Премьер 250А	33-х/б, 67-п/э	250	не более 107	НМВО, А
Премьер Комфорт 250А	80-х/б, 20-п/э	250	не более 107	НМВО, А
«Грета-М»	53-х/б, 47-п/э	214	не более 107	НМВО-У, А
Саржа С-33 АЮД	100-х/б	308	не более 107	МВО, А
Rigchief Universal	100-х/б	320	105 (до стирки)	НМВО, А, Т0
Flamestat cotton	100-х/б	335	не более 107	МВО, А, Т0

В таблице используются следующие обозначения: МВО - масло-, водоотталкивающая пропитка; НМВО - нефте-, масло-, водоотталкивающая пропитка; А - антистатическая нить или антистатическая отделка; Т₀ - отделка для защиты от открытого огня; У - устойчивость к усадке после влажно-тепловой обработки.

Качественными отечественными тканями признаны: группа тканей «Премьер» производства «Чайковский текстиль», «Саржа» производства «Яковлевский текстиль». Из образцов зарубежного производства наиболее распространенными являются ткани специальные с антиэлектростатическими свойствами производства «Моготекс», Carrington, Dale.

В Приложении Б представлены данные о современном ассортименте материалов верха для одежды, защищающей от статического электричества.

• Современные утепляющие материалы для специальной антиэлектростатической одежды

Теплозащитные свойства пакета материалов для специальной одежды оцениваются по критерию суммарного теплового сопротивления, основной вклад в величину которого вносит утепляющая прокладка. Теплозащитный слой, как правило, обладает достаточной толщиной и должен быть пористым и легким.

При выборе утеплителя и конструкции теплозащитного пакета необходимо учитывать климатический пояс эксплуатации изделия и категории выполняемых работ, а также параметры воздухопроницаемости и жесткости материалов его формирующих. Утепляющий слой создает воздушную прослойку между слоями одежды. Эта воздушная прослойка и обеспечивает теплоизоляцию, а чем больше воздуха может удержать в себе утепляющий слой, тем лучше будет теплоизоляция. Особенно остро этот вопрос встает в случае, когда человек вынужден длительное время находиться на ураганном ветру при температуре  -40 ⁰С и ниже.

В настоящее время существует огромное разнообразие высококачественных натуральных, смесовых и синтетических утепляющих материалов: ватины, шерстон, перо-пуховая смесь, холлофайбер, синтепон, файбертек, тинсулейт, витар, различные флисы и т.д., обеспечивающих требуемую теплозащиту и комфорт при эксплуатации изделий [77 - 83]. Однако в условиях опасности возникновения электростатического разряда и возгорания газовых смесей рабочей зоны для пакета материалов рекомендуется использовать материалы с максимальным вложением натуральных волокон. Кроме этого, в результате электростатического разряда ткань верха может прогореть и загореться утеплитель. Тлеющий или расплавленный синтетический утеплитель - это дополнительная угроза здоровью человека.

Ассортимент натуральных утепляющих материалов, представленный в таблице 2.6, включает полотна - ватин, шерстон и несвязный утеплитель - перо-пуховую смесь.

Таблица 2.6 - Параметры некоторых утепляющих материалов [24, 84, 85]. 

Утеплитель	Волокнистый состав, %	Поверхностная плотность, г/м2	Теплопровод-ность, Вт/(м∙К)
Ватин	30-85 - шерсть, 15-70 - хлопок	245	0,043
Шерстон	65-70 - шерсть, 30-35 - хлопок	200-300	0,029
Перо-пуховая смесь	80-90 - пух 10-20 - перо	-	0,034

По совокупности основных теплозащитных и эксплуатационных свойств перо-пуховой утеплитель характеризуется низкой теплопроводностью, высокой пористостью сырья, чрезвычайной легкостью, способностью быстро восстанавливать объем и, следовательно, теплозащитные свойства, после механического сжатия, удобством хранения и транспортировки, исключительной долговечностью изделий. Изделия с использованием перо-пухового утеплителя меньше всего сковывают движения, так как их деформация и полное восстановление происходят без особых усилий, и имеют минимальный вес при одинаковых тепловых сопротивлениях, обеспечиваемых другими натуральными утеплителями. Все это характеризует его как непревзойденный утеплитель для Северных районов страны.

Однако область его применения в качестве утеплителя ограничивается районами с относительной влажностью окружающей среды выше средней [56, 57]. Обладая хорошей влагопроницаемостью и гигроскопичностью, при повышенной влажности перо-пуховая смесь значительно теряет свои теплозащитные и релаксационные свойства. При этом средняя цена теплозащитной перо-пуховой одежды заметно превышает альтернативные варианты.

Более выгодное место в ценовых характеристиках занимает одежда с утеплителем из шерстона, который тоже имеет высокие показатели теплового сопротивления. Но пакет материалов с шерстоном обязательно требует ветрозащитной прокладки, самая эффективная из которых имеет 100% синтетическую основу, что противоречит базовым рекомендациям электростатической защиты или требует дополнительных исследований антиэлектростатического эффекта такого пакета материалов. Проблема получения точных рекомендаций по волокнистому составу для антиэлектростатических костюмов может быть решена проведением предпроектных исследований и созданием формализованного аппарата для расчета и прогнозирования свойств текстильного изделия.

 

• Прокладочные и подкладочные материалы для специальной антиэлектростатической одежды

Одним из дополнительных слоев в зимней спецодежде должна быть легкая, мягкая, экономичная ветрозащитная прокладка, обладающая малой (практически нулевой) воздухопроницаемостью и необходимой прочностью. Необходимость в ветрозащитной прокладке отпадает, если в качестве основной или подкладочной ткани используется плотная ткань, имеющая достаточно малую воздухопроницаемость - от 7 до 10 дм³/(м²∙с) [52].

При изготовлении теплозащитной одежды с использованием перо-пухового утеплителя [86 - 87] в состав пакета дополнительно включаются слои пуходержащей ткани (рис. 2.3 б), которая может являться и подкладочной. Основное назначение пуходержащих тканей - это препятствие проникновению элементов перо-пухового сырья на поверхность утепляющего пакета и формирование утепляющего пакета с учетом выбранной конструкции. Пуходержащие ткани должны обладать следующими свойствами:

• большая поверхностная плотность или специальная обработка, обеспечивающие снижение миграции элементов перо-пухового сырья через ткань;
• небольшая жесткость, позволяющая легко формировать утепляющий пакет и обеспечивающая его релаксационные свойства;
• малый удельный вес.

Следующий слой одежды, ограничивающий пакет одежды - подкладка. Материал подкладки, в первую очередь, должен иметь гладкую поверхность с малым коэффициентом трения, устойчивость к загрязнениям и легко очищаться, малый удельный вес, высокий показатель несминаемости. Основные подкладочные и пуходержащие ткани с учетом общих рекомендаций по волокнистому составу для антиэлектростатической одежды представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Некоторые основные современные подкладочные и пуходержащие ткани. 

Материал		Волокнистый состав, %	Поверхностная плотность, г/м2
Подкладочная	Бязь	100 - х/б	120
	Фланель	100 - х/б	200
Пуходержащая	Cotton CNT	100 - х/б	120
	Тик	100 - х/б	150

Так как типовые условия антиэлектростатической защиты носят рекомендательный характер и не имеют точной научной базы, можно сделать предположение об использовании альтернативных утеплителей, имеющих 100% синтетическую основу, рассчитав предварительно напряженность электростатического поля, создаваемого пакетом материалов в результате его электризации при эксплуатации. Напряженность электростатического поля - величина, которая характеризует уровень электростатической защиты. Для этого необходимо разработать специальный математический аппарат, описывающий процессы возникновения зарядов статического электричества на поверхности и внутри слоев утепленной одежды в зависимости от свойств использованных материалов с целью прогнозирования защитных свойств всего изделия.

В таблице 2.8 представлены альтернативные материалы, расширяющие возможный ассортимент тканей для специальной одежды, но требующие дополнительного внимания и проверок по безопасности, в том числе и методами математического моделирования.

Таблица 2.8 Дополнительные подкладочные и пуходержащие материалы.

Материал		Волокнис- тый состав	Поверхност- ная плотность, г/м2	Теплопрово- дность, Вт/(м∙К)
Утеплитель	Синтепон	100% - п/э	78	0,030
	Холлофайбер	100% - п/э	-	0,023
	Тинсулейт	100% - п/э	до 400	0,026
	Файбертек	100% - п/э	до 400	0,034
Подкладочная	Taffeta(Таффета)	100% - п/э	150	-
Пуходержащая	Dewspo(Дьюспа)	100% - п/э	120	-

Предположение о возможности использования синтетических материалов позволило сформировать еще одну гипотезу, которая, объединив достоинства натурального несвязного утеплителя - перо-пуховой смеси (высокие теплозащитные свойства и упругость) и достоинства синтетического наполнителя - холлофайбера (сниженная гигроскопичность, низкая стоимость сырья), дает возможность применения комплексного несвязного утеплителя на основе пера, пуха и холлофайбера в рассматриваемой защитной одежде. При этом использование недорогих синтетических тканей позволит улучшить некоторые защитные функции пакета материалов и снизить себестоимость специальной одежды [89].

Создание и исследование свойств комбинированных перо-пуховых смесей в различных модификациях состава сырья, в том числе и с введением в состав синтетической компоненты - перспективное направление проектирования и производства теплозащитной одежды, особенно для защиты от опасных, дополнительных воздействий.

Однако остается задача оценки доли вводимой синтетической фракции в состав натурального перо-пухового утеплителя без потери теплоизоляционных свойств утепляющей смеси с целью снижения гигроскопичности комплексного разнофракционного сырья при наличии ограничения максимальной доли синтетической составляющей не более 20 % для обеспечения базовых положений электростатической безопасности.

Таким образом, в качестве основных аспектов проектирования антиэлектростатической одежды можно выделить следующие:

• научнообоснованные (на базе математического моделирования) методы формирования материалов в пакет одежды, обеспечивающих надежную безопасность человека в условиях электростатической опасности;
• наличие и учет всесторонних характеристик материалов для одежды, включая характеристики тепло- и электропроводности;
• создание эргономичных конструкций одежды, способных выполнять функцию оперативной охраны человека во время совершения функциональных движений, динамично предупреждая об опасности;
• проверка качества, уровня соответствия установленных защитных свойств специальной одежды и прогнозирование надежности защитной конструкции.

Качественное выполнение вышеперечисленных аспектов проектирования позволит обеспечить высокий уровень безопасности человека на современных опасных производствах, защитить его жизнь и здоровье.