Актуальность работы. Опасность воздействия неблагоприятной среды на организм человека в результате стихийных бедствий, техногенных катастроф, эпидемий существенно возрастает. В России, как и в других странах, принимаются неотложные меры по предупреждению этих явлений, выдвигаются более жесткие требования к безопасности всех видов продукции, созданию более эффективных средств профилактики и защиты человека от болезнетворных микроорганизмов, опасных пылей и аэрозолей.

Эффективным средством индивидуальной защиты (СИЗ) организма человека являются антимикробные и защитные материалы со специальными свойствами. Всё большее применение находят волокнистые материалы, выполненные на текстильных носителях: тканых, трикотажных и нетканых полотнах, модифицированные биологически активными препаратами. Наиболее перспективными из них являются нетканые полотна, изготовление которых не требует применения сложного оборудования, получать их можно из недефицитных волокон и нитей, они хорошо впитывают жидкости, задерживают пыли и аэрозоли.

Развитие отрасли нетканых материалов основывается на создании и применении современных технологий, в том числе гидроструйной, иглопробивной и термоскрепления, а также возможных их комбинаций.

Создание нетканых полотен нового уровня качества и безопасности сдерживается отсутствием обоснованных предпосылок и научных разработок, новых более информационных методов и средств испытаний, новых научных подходов и комплексных системных исследований, направленных как на разработку, так и на исследование нетканых материалов для СИЗ.

Современные успехи в области нанотехнологии открывают новые возможности разработки принципиально новых технологических процессов получения антимикробных препаратов и текстильных нетканых материалов.

В настоящее время нетканые полотна для производства антимикробных материалов используются ограниченно. В основном их применяют для изготовления изделий разового назначения: перевязочных средств, повязок, салфеток, санитарно-гигиенических изделий, средств личной гигиены и т.п. Причина такого положения недостаточность сведений и слабая изученность физико-механических, гигиенических, защитных, антимикробных и других специальных свойств нетканых полотен. Поэтому разработка антимикробных и защитных материалов на волокнистых нетканых носителях, получение новых сведений о свойствах таких полотен, расширение их применения в производстве одежды, являются актуальными научными задачами, имеющими важное социальное значение.

Тема диссертации утверждена учёным советом МГУДТ (протокол № 9 от 26 апреля 2006 года) и выполнялась по тематическому плану НИР МГУДТ и координационным планам в рамках реализации важнейших проектов государственного значения по приоритетному направлению в области индустрии наносистем и материалов (1.2) и критическим технологиям в области индустрии наносистем и материалов (2.4); технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф (2.21); технологии создания биосовместимых материалов (2.22).

Целью работы является развитие теоретических основ разработки и исследования антимикробных и защитных материалов на нетканых волокнистых носителях, в том числе модифицированных наноразмерными биологически активными препаратами и создание методов и средств испытаний, улучшающих оценку качества и безопасности этих материалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

оценка современного состояния разработки специальных защитных, антимикробных, профилактических и бытовых текстильных материалов;

установление требований и разработка номенклатуры основных показателей свойств и качества текстильных нетканых полотен для изделий, защищающих от антимикробного и техногенного загрязнения окружающей среды;

разработка концепции создания и научного обоснования оптимального волокнистого состава, структуры, технологии производства, оптимизация режимов и параметров изготовления нетканых волокнистых материалов, обладающих антимикробными и защитными свойствами;

разработка биологически активных комплексов, в том числе содержащих наноразмерные биологически активные вещества, обладающих синергическим эффектом и пролонгированным действием;

разработка способов модифицирования волокнистых нетканых материалов биологически активными наноструктурными препаратами;

создание новых и совершенствование существующих приборов, устройств и методик для исследования специальных свойств текстильных волокнистых материалов;

разработка аналитических методов исследования микромеханики разрушения нетканых материалов разных способов получения;

исследование защитных и потребительских свойств нетканых волокнистых материалов;

выявление возможности расширения использования антимикробных и защитных нетканых материалов в одежде специального и бытового назначения;

производственная и эксплуатационная проверка разработанных нетканых материалов и изделий из них.

Научная новизна проведённых исследований состоит в том, что:

разработана концепция создания антимикробных и защитных материалов на нетканых волокнистых носителях;

развито перспективное научное направление по разработке и исследованию антимикробных и защитных материалов на нетканых волокнистых носителях, в том числе модифицированных наноразмерными биологически активными препаратами;

разработаны требования и предложена номенклатура показателей свойств и качества текстильных нетканых полотен для изделий, защищающих от последствий техногенных катастроф и биологически активных сред;

научно обоснованы состав и структура, разработаны и исследованы новые нетканые материалы для специальной одежды, отвечающие высоким требованиям защиты и надёжности при эксплуатации в экстремальных условиях. По результатам разработок получено авторское свидетельство, два патента РФ, патент РФ на полезную модель и решение о выдаче патента РФ на изобретение от 06.11.2007 г.;

разработаны оригинальные приборы и устройства и усовершенствованы существующие методы, а также методики исследований текстильных материалов для изучения структуры, свойств и оценки их качества. По результатам разработок получено четыре патента РФ;

установлены механизмы антимикробного действия и устойчивости антимикробных препаратов на волокнистых материалах, разработаны и исследованы новые биологически активные препараты;

предложен оптимальный состав, обладающий синергическим эффектом и пролонгированным действием, для модифицирования текстильных материалов с целью придания им бактерицидных свойств. По результатам разработок получен патент РФ;

разработаны новые оригинальные способы модификации текстильных материалов биологически активными препаратами, в том числе наноразмерными;

раскрыты механизмы процессов микромеханики разрушения нетканых волокнистых материалов, полученных по гидроструйной, иглопробивной, термоскрепляющей технологиям, и предложена математическая модель, описывающая процесс разрушения этих материалов;

теоретически обоснованы и установлены зависимости защитных и гигиенических свойств нетканых волокнистых материалов от их структурных характеристик, волокнистого состава и вида специальной обработки;

получены новые данные о прочностных и вязкоупругих характеристиках, гигиеничности, антимикробной активности нетканых материалов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается теоретическими и экспериментальными доказательствами, современными объективными методами определения показателей свойств и качества материалов, оценкой полученных результатов с помощью математико-статистических методов обработки экспериментальных данных и регрессионного анализа.

Основные методы исследования. Методологической основой проведенных теоретических и экспериментальных исследований являлись как классические, так и новые научные представления в материаловедении изделий лёгкой промышленности. В диссертации использованы: методология системного анализа, моделирования и квалиметрии; молекулярно-кинетическая теория прочности твердых тел, теория колебания систем с распределенной массой; основные положения механики, термодинамики; процессов сорбции и массопереноса.

Исследования выполнялись на базе теоретико-экспериментальных и экспериментально-теоретических подходов, позволивших получить новые результаты, адекватно отражающие свойства волокнистых материалов в условиях воздействия на них неблагоприятных факторов окружающей среды, а также на основе использования теории классификации, математического моделирования, теории алгоритмизации и программирования, корреляционного и регрессионного анализов, математической статистики. В работе использованы программные продукты операционной среды Windows 98 (Word 2000, Photoshop, Coral Draw 9), Visual С+ версии 6.0.

В работе применены современные методики оценки биоцидных и защитных свойств текстильных волокнистых материалов: метод “зон” и фотоколориметрический метод оценки их защитной эффективности, метод сканирующей микроскопии, лазерно-искровой экспресс-метод, методы социологического исследования и экспертных оценок.

Объектами исследования в работе являлись: разработанные специальные антимикробные и защитные волокнистые нетканые материалы, а также промышленные отечественные и зарубежные текстильные полотна аналогичного назначения; методы изучения структуры и свойств материалов и средства их испытаний; биологически активные препараты и их композиции, в том числе наносистемы.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Результаты исследований, представленные в диссертации, использованы при изготовлении различных видов нетканых волокнистых материалов и спецодежды, которые апробированы совместными испытаниями в следующих организациях: ОАО ВНИИНМ, ВЦМК "Защита", ПО "Ульбинский металлургический завод" (г. Усть-Каменогорск), Электрохимический завод (г. Красноярск-45), Сыктывкарская фабрика нетканых материалов, Кирово-Чепецкий химический комбинат (г. Кирово-Чепецк), Главное научно-технологическое управление Минатомэнергопрома России, ЗАО "Центр новых технологий и бизнеса", ООО "Лаборатория нанокомпозитных материалов".

Разработанные материалы и спецодежда экспонировались на всесоюзных и международных выставках: "Интератомконтроль-89"; "ENC-90" (Лион, Франция); "Охрана труда-90"; "Судостроение-90"; "Средства спасения 2002", "РОСБИОТЕХ-2007".

На выставке "Охрана труда-90" разработанный нетканый материал и спецодежда из него удостоены двух серебряных медалей, а на выставке "РОСБИОТЕХ-2007" нетканое антимикробное полотно, модифицированное частицами серебра, удостоено медали и диплома ВВЦ.

Результаты диссертационной работы используются в лекционном и лабораторном курсах по материаловедению, а также при выполнении научно-исследовательских работ аспирантами и студентами. Отдельные разделы работы включены в учебник для вузов "Материаловедение в производстве изделий лёгкой промышленности" (М., Академия, 2004).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на восьми научно-технических конференциях, в том числе на Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы науки, техники и экономики лёгкой промышленности" (Москва, 2000, МГУДТ); Международной научно-технической конференции "Роль предметов личного потребления в формировании среды жизнедеятельности человека" (Москва, 2002, МГУДТ); Международной научно-технической конференции: "Нанотехнологии в индустрии текстиля" (Москва, 2006, МГТУ им.А.Н. Косыгина).

Публикации. Основные результаты исследований изложены в 42 работах, из которых 21 работа опубликована в научных изданиях, включённых в списки, утверждённые Высшей аттестационной комиссией.

Личное участие автора состоит в выявлении и формулировании основного содержания исследований, определившего развитие перспективного научного направления в материаловедении лёгкой промышленности по созданию новых нетканых материалов для спецодежды, защищающей от последствий техногенных катастроф и биологически активных сред. Разработке путей реализации этого направления, постановке и разработке основных проблем теоретических и экспериментальных исследований по данному направлению. При непосредственном участии автора разработаны приборы, устройства и методики, выполнены эксперименты, а также предложен состав комплексов биологически активных препаратов. Автору принадлежит теоретическое обобщение результатов работ, опубликованных лично и в соавторстве, использованных при написании настоящей диссертации.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 313 страницах машинописного текста, включая 47 рисунков, 51 таблицу, 215 библиографических источников. Приложения представлены на 76 страницах.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и основные задачи исследований. Даны общая характеристика, научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе диссертации рассмотрено современное состояние разработки защитных и антимикробных волокнистых нетканых материалов, из которых изготавливают изделия, эксплуатируемые в опасных средах.

На основании литературных данных проведён системный анализ внешних факторов, воздействующих на организм человека при техногенных катастрофах и в биологически активных средах. Отмечено, что именно ухудшение экологической обстановки обусловило разработку мер, направленных на снижение риска распространения вирусных болезней и разрыва механизма их передачи с помощью специальных средств защиты человека.

Определены пути перекрёстного загрязнения среды и поверхностей радиоактивными веществами, в результате перемещения мельчайших частиц с поверхности во взвешенное состояние при трении или движении воздушных потоков.

Проведён анализ состава и свойств известных антимикробных препаратов на основе органических и неорганических соединений, который показал, что отдельные соединения могут контролировать восприятие лишь определенной группы патогенных и непатогенных бактерий; зачастую этого недостаточно - требуется синергический эффект продолжительного действия.

Отмечено, что с экономических и технических точек зрения наилучшими волокнистыми текстильными носителями для антимикробных материалов являются нетканые полотна, которые служат хорошей основой их модификации биологически активными веществами, а так как обычно модифицирование материалов и изделий - процесс дорогостоящий, то применение дешёвого нетканого полотна логично и перспективно.

Особое внимание уделено анализу современных наноматериалов и возможности их использования в производстве текстильных волокнистых материалов. Отмечено, что наночастицы легко могут агрегировать друг с другом и взаимодействовать с веществами и материалами, в частности с текстильными волокнами.

Рассмотрены способы получения нановеществ и установлено, что для модифицирования текстильных волокнистых материалов наиболее приемлема технология биохимического синтеза наночастиц металлов в обратных мицеллах. Формирование наночастиц в этом случае происходит во внутренней среде обратной мицеллы. Также возможно применение водных растворов наночастиц серебра с веществами, которые обладают выраженной синергической антибактериальной и антивирусной активностью, не имеют характерного запаха и более эффективны, чем ионы металлов в тех же концентрациях.

Во второй главе сформулированы основные требования и номенклатура показателей качества нетканых текстильных материалов для одежды специального и бытового назначения.

Установлено, что при превышении ПДК загрязнённости окружающей среды или наличии в ней опасных веществ необходимо создание текстильных волокнистых материалов с более высокими показателями защитных свойств.

При возможных техногенных загрязнениях спецодежда выполняет одновременно традиционную (бытовую) функцию и функцию барьерного - защитного средства. Поэтому к спецодежде предъявляются следующие общие требования: способствовать кожному дыханию и кровообращению; обеспечивать нормальную терморегуляцию организма человека, не стимулируя потоотделение и не препятствуя его испарению при выделении; иметь минимальную массу; защищать от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды; соответствовать требованиям промышленной эстетики и экономики.

Эти требования легли в основу номенклатуры показателей качества спецодежды, защищающей от техногенных радионуклидов. В таблице 1 представлена функционально-иерархическая модель показателей качества защитных нетканых материалов, их относительная значимость и весомость.

Таблица 1

Особое внимание при техногенных загрязнениях уделено защитным показателям, которые являются важнейшими. В этих условиях СИЗ эксплуатируются ограниченное время, поэтому немаловажна экономическая целесообразность её применения, а так как спецодежда, как правило, эксплуатируется в течение нескольких часов в день, важны гигиенические показатели, обеспечивающие нормализацию микроклимата в пододёжном пространстве.

Особенно важно для защитных материалов данного назначения - установление комплекса синергических характеристик свойств, таких как максимально изолирующая способность с одновременно достаточной воздухо - и паропроницаемостью, высокая прочность на раздир и разрыв при малой жесткости, хорошая гигроскопичность и сорбция посторонних частиц структурой и волокнами материала, достаточная драпируемость и хороший гриф.

В современных условиях возможного биоцидного загрязнения среды используются различные изделия из текстильных материалов, для которых до сих пор не установлены чёткие требования. При решении этой задачи особое внимание уделено сырьевому составу и технологии изготовления нетканого полотна.

При разработке требований к текстильным волокнистым материалам выделены три основные группы, характеризующиеся как общими, так и специальными показателями свойств.

Главным общим требованием для всех текстильных материалов и изделий, в том числе защищающих от биологически активных сред и патогенной микрофлоры, является механическая прочность с достаточной обратимой деформируемостью, позволяющей сохранить свободу движения человека и заданную форму изделия во время её эксплуатации. Вместе с тем изделие должно быть лёгким и обеспечивать оптимальный микроклимат в пододёжном пространстве, т.е. материал должен быть гигроскопичным и воздухопроницаемым даже во влажном состоянии.

К биологически активным материалам предъявляются дополнительные расширенные требования: дерматологическая приемлемость, способность к антимикробной защите от патогенной микрофлоры (золотистого стафилококка, кишечной палочки, дрожжевых и нитчатых грибов и т.д.), а также минимальный уровень “пыления” нетканого полотна, т.е. выделения посторонних частиц с его поверхности. В современных условиях эксплуатации изделия обязательным требованием являются художественно-эстетические показатели.

На основе данных нормативных документов разработана и предложена номенклатура и нормативы свойств и показателей качества текстильных нетканых полотен, используемых для изготовления изделий, защищающих от биоцидного загрязнения (табл.2).

антимикробный защитный материал нетканый волокнистый

Таблица 2

В третьей главе рассмотрены научные предпосылки и сформулирована концепция создания и обоснование состава, структуры, технологии производства, а так же оптимизации режимов и параметров изготовления нетканых волокнистых материалов, обладающих антимикробными и защитными свойствами.

Оптимальное сочетание защитных, гигиенических, физико-механических и экономических показателей при разработке текстильных материалов является сложной комплексной задачей, так как зачастую достижение высокого уровня одних показателей вызывает снижение уровня других. Поэтому поставлена задача оптимизации свойств нетканых полотен для изделий, эксплуатируемых в условиях техногенных загрязнений.

С одной стороны, защита от проникновения вредных веществ в пододёжное пространство требует максимальной изоляции организма человека от окружающей среды, с другой - ощущение дискомфорта появляется при недостаточном воздухообмене и отводе избыточной влаги и тепла из пододёжного пространства. Для ощущения комфорта температура пододёжного пространства должна быть близкой к 33°С.

Существует два механизма отвода тепла: расходование на испарение влаги и прямой воздухообмен пододёжного пространства с окружающей средой. Доказано, что для повышения гигиеничности материала необходимо использовать волокна с высокой смачиваемостью поверхности и оптимизировать структуру материала таким образом, чтобы обеспечить максимальную влагопроводность.

При механизме отвода тепла и влаги, экранируемых материалом спецодежды, происходит прямой обмен воздуха пододёжного пространства с окружающей средой. Чем выше способность материала к обратимым деформациям, тем больше воздуха обменивается при цикле сжатиераспрямление. В данном случае воздухообмен зависит от способности материала к упругой деформации, т.е. наиболее эффективно применение в составе текстильного материала упругих, например, лавсановых (Лс) волокон.

Для вискозных (Вс) волокон характерен первый механизм отвода тепла и влаги, для синтетических второй механизм, а для шерсти совокупность того и другого.

Суммируя изложенное, сделан вывод, что гигиеничность защитной одежды можно повысить путем целенаправленного варьирования смачиваемости волокон, пористости, средней плотности и упруго-пластических свойств волокон.

Учитывалась и электризуемость волокон. Накопление электрических зарядов на материале спецодежды способствует задержке посторонних частиц на поверхности и в структуре материала. Наилучшим показателем электризуемости обладают полипропиленовые (ПП) волокна, поэтому целесообразно введение данных волокон в структуру материала.

Разработана технология изготовления, структура и предложен волокнистый состав двухслойного нетканого материала с различным процентным содержанием волокон в лицевом и изнаночном слоях. Научная новизна данного материала подтверждена авторским свидетельством СССР № 1586290. Схема структуры полотна представлена на рисунке 1.

Рис.1 Схема поперечного среза нетканого волокнистого материала:

1 плёнка из оплавленных ПП и Вс волокон лицевого слоя; 2 неоплавленные ПП и Вс волокна лицевого слоя; 3 изнаночный слой из смеси Вс, ПП и Лс волокон; 4 пучки ориентированных волокон, соединяющие лицевой и изнаночный слои полотна

Верхний лицевой слой (30 %) выполнен в виде гладкой мелкопористой плёнки, состоящей из оплавленных ПП волокон с незначительным добавлением Вс волокон, задача которого до определённого предела изолировать человека от окружающей среды и обеспечить минимальную сорбцию материалом посторонних частиц на лицевом слое. Нижний изнаночный слой (70 %) имеет рыхлую хаотичную структуру, позволившую создать объёмность и упругость материала, способную обеспечить необходимое транспортирование влаги, выделяемой в процессе потообразования. Для этого изнаночный слой содержит комплекс волокон (55 % Вс, 30% Лс и 15 % ПП), имеющих противоположные заряды при контакте с телом человека.

Каждое волокно в структуре полотна выполняет определённую задачу. Введением Вс волокон достигается гигиеничность, Лс объёмность и упругость, а ПП волокна исполняют роль термопластичного связующего и повышают электризуемость материала. Для улучшения условий транспортировки влаги пучки гидрофильных волокон ориентированы по толщине полотна к наружной поверхности. Взаимное проникновение двух слоёв волокон достигается иглопрокалыванием, а последующее термоскрепление способствует повышению прочности полотна. Одним из наиболее простых способов получения волокнистых нетканых материалов, задерживающих и подавляющих рост микроорганизмов, является введение бактерицидных препаратов, придающих полотнам самодезинфицирующие свойства. При изготовлении антимикробных нетканых материалов важную роль играет технология производства, определяющая структуру, основные свойства, экологичность и безопасность.

Перспективным направлением изготовления нетканых экологически чистых полотен является гидроструйная технология, которая и использована в работе. Данная технология не требует применения дополнительных химических связующих, а в процессе производства принудительно удаляются короткие волокна и примеси из структуры материала. Однако такие полотна обладают большими деформационными показателями, что приводит к излишней деформируемости изделий при эксплуатации и в процессе производства. Поэтому в волокнистую массу разработанного материала добавлены химические волокна, позволившие увеличить площадь контакта между его структурными элементами при каландрировании, и введён армирующий слой в виде хлопчатобумажной ткани малой плотности (марли). Научная новизна разработанного нетканого полотна гидроструйного способа скрепления подтверждена патентом РФ № 2159825. В качестве волокнистых носителей антисептических средств рекомендовано применение натурально-целлюлозных (лён или отходы льна мокрого прядения, хлопок), или искусственных (вискозных) волокон с незначительным (до 30%) включением синтетических (полиэфирных, полипропиленовых или полиамидных) волокон.

Разработана синергическая композиция, представляющая собой смесь катамина АБ и йодид калия и являющаяся наиболее эффективным препаратом при суммарном содержании в текстильном полотне 0,8 и 0,5 масс. % соответственно. Научная новизна разработанного антимикробного состава подтверждена патентом РФ № 2178029.

Существует три способа придания биологической активности текстильным материалам: присоединение лекарственных веществ химическими связями химическая модификация; закрепление лекарственных веществ в структуре волокон структурная или физическая модификация; нанесение лекарственных веществ по "неопределенному" механизму. Наименее трудоёмким вариантом внесения биологически активных веществ в структуру материала является метод пропитки. При этом добиваются равномерного распределения антимикробных веществ в полотне, но тратится большое количество антимикробного препарата. С целью минимизации расхода дорогостоящего препарата разработано специальное устройство для модифицирования рулонных текстильных материалов методом обрызгивания, что позволяет экономить антимикробный препарат и наносить его с большой точностью.

Для исключения дополнительных технологических операций предложено проводить модификацию текстильных нетканых полотен одновременно с операцией замасливания волокнистой массы по схеме, представленной на рисунке 2.

Рис.2 Схема замасливающего устройства для модифицирования нетканого полотна антимикробными препаратами:

1 - накопительный бак; 2 - транспортирующая труба; 3 - насос; 4 - электродвигатель; 5 - манометр; 6 - воздушный резервуар; 7 - форсунки; 8 - щипальная машина; 9 - фильтр очистки эмульсии; 10 - водомерное стекло

В четвёртой главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по созданию и совершенствованию установок, приборов и методик для прогнозирования свойств материалов после техногенных катастроф и в биологически активных средах.

При техногенных катастрофах возможно образование тонко - и среднедисперсных радиоактивных аэрозолей, способных к проникновению через материал спецодежды. Это объясняется не только малыми размерами частиц, но и специфическими процессами самопроизвольного образования радиоактивных аэрозолей. Основным показателем защитной эффективности материалов для спецодежды такого назначения является коэффициент проникания пыли (пылепроницаемость) (доли или %) в пододёжное пространство.

Проведённый анализ существующих методов и средств испытаний показал, что они не предназначены для исследования защитной эффективности материалов от особо опасных мелкодисперсных частиц и не позволяют моделировать заданную запылённость окружающей среды.

Для определения защитной эффективности материалов была разработана методика, основанная на использовании нефелометрического метода определения коэффициента проскока аэрозоля через пробу материала. Установлено, что основная масса промышленной пыли (9098%) состоит из частиц размером 0,110 мкм, причем большую часть (8095%) частицы размером менее 5 мкм. В качестве загрязняющего аэрозоля выбран прокаленный порошок оксида алюминия, отвечающий этим требованиям.

Исходя из максимальной кратности воздухообмена пододёжного пространства до 22,8 мин^-1, установлена линейная скорость фильтрации загрязнённого воздуха через пробу материала площадью 20 см², которая составила 10 см/мин (0,2 л/мин). Схема установки для определения защитной эффективности волокнистых текстильных материалов представлена на рисунке 3.

Рис.3 Схема установка для определения защитной эффективности волокнистых текстильных материалов:

1 компрессор; 2 аэрозольная камера; 3 - пылегенератор; 4 - фильтр трубы камеры; 5 - труба камеры; 6 - пыленаправляющая трубка; 7 - аллонж для установки образца; 8 - проба; 9 - кран; 10 - фильтр, 11 - ротаметры; 12 - потенциометр; 13 - нефелометр; 14 - блок питания нефелометра; 15 - аллонж для забора пыли

Пылепроницаемость (коэффициент проникания) , %, вычисляют по формуле:

, (1)

где показатель, характеризующий концентрацию дисперсных частиц в зоне "до" пробы образца материала; показатель, характеризующий концентрацию дисперсных частиц в зоне "за" пробой образца материала.

Для оценки влагосорбционных свойств многослойных нетканых полотен, содержащих различные количества натуральных и химических волокон, предложена специальная методика и разработано устройство. Сущность испытания заключалась в контактировании с парами воды лицевой или изнаночной сторон пробы полотна. В одном случае сорбция происходит при контакте одной из сторон материала при 100 % - ной относительной влажности среды, а во втором случае сорбцию паров воды определяли в условиях перепада влажности по обе стороны пробы образца.

Для определения влагоёмкости текстильных материалов во времени с имитацией реальных условий предложен новый метод, разработано и изготовлено устройство, научная новизна которого подтверждена патентом РФ № 2263302.

Особенностью предлагаемого устройства является наличия имитирующей мокнущей поверхности в виде микропористой мембраны и высокочувствительного измерительного механизма, позволяющего регистрировать кинетику влагоёмкости.

Впитываемость , %, образцом жидкости (влагоёмкость) вычисляют по формуле:

, (2)

где - масса образца после контакта с жидкостью через заданные промежутки времени, г; - первоначальная масса образца, г.

Для изучения релаксационных свойств волокнистых материалов (ткани, трикотажные и нетканые полотна) создан экспериментальный стенд, позволяющий исследовать процесс релаксации напряжённо-деформированного состояния (НДС) текстильных материалов при заданной деформации посредством использования механических колебаний. Научная новизна подтверждена патентом РФ № 2265214. Схема представлена на рисунке 4.

Рис.4 Экспериментальный стенд измерения НДС мягких волокнистых материалов:

1 - исследуемый материал; 2 - упругий элемент; 3, 4 - зажимы; 5 - генератор механических колебаний; 6, 7 - шкалы напряжения и деформации; 8 - генератор звуковой частоты; 9 - усилитель; 10 - вибродатчик; 11 - измерительный прибор; 12 - контроллёр с процессором

Теоретическое и экспериментальное обоснование устройства стенда базируется на связи релаксации напряжения материала при фиксированной деформации с параметрами его вынужденных поперечных колебаний. Учитывая отсутствие практических возможностей измерения напряжения текстильных материалов физическими методами, предложено оценивать процесс релаксации их напряжений косвенным методом, в частности, посредством измерения параметров колебаний металлической пластины, скреплённой с исследуемым образцом.

Теоретическая часть решения этой части задачи сведена к построению математической модели свободных колебаний для определения положения пучностей и узловых линий стоячих волн, формируемых посредством генератора механических колебаний на составных частях неоднородной пластины. На основании экспоненциальной зависимости релаксации напряжения во времени построена модель:

(t) = +_{0 ·}, (3)

где (t) - напряжение (равное 5 %) в фиксированный момент времени t; - равновесная составляющая напряжения, кПа; ₀ - релаксируемая часть напряжения, кПа; а и b - кинетические коэффициенты, зависящие от физико-механических свойств текстильных материалов и действия внешних факторов.

Для нетканого термоскреплённого полотна (ТУ 412-795-89), исследуемого при нормальных условиях, получена экспоненциальная зависимость релаксации напряжения во времени, аппроксимированная уравнением:

(t) =. (4)

Предложенная методика исследований и полученные экспериментальные данные показывают, что релаксация напряжения при постоянной деформации для разных материалов представляет собой экспоненциальную функцию с коэффициентами, зависящими от характеристик текстильных материалов и параметров внешнего воздействия.

Для исследования вязкоупругих свойств текстильных волокнистых материалов при растяжении разработан и изготовлен прибор, научная новизна которого подтверждена патентом РФ № 2251094. Схема устройства для испытания волокнистых материалов на растяжение представлена на рис.5.

Рис.5 Схема устройства для определения показателей вязкоупругих свойств текстильных волокнистых материалов:

1 подвижный зажим; 2 неподвижный зажим; 3 образец материала; 4 площадка со штырями; 5 - штыри; 6 - привод перемещения площадки; 7 - груз; 8 сельсин-датчик измерения деформации растяжения; 9 основной двуплечий рычаг; 10 двуплечий рычаг; 11, 22 - рычаги; 12, 13 гибкие тяги; 14, 24 жесткие тяги; 15 - рамка; 16 противовес; 17 фиксатор; 18 - привод; 19 электроконтактная скоба; 20, 21 - контакты; 23 сельсин-датчик измерения релаксации усилия; 25 - грузовая площадка

Особенностью устройства является то, что оно имеет дополнительный механизм измерения релаксации усилия, что повышает точность определения показателей вязкоупругих свойств текстильных материалов. Контроль показателей осуществляется в процессе релаксации усилия и, следовательно, обеспечивается контроль большего числа параметров вязкоупругих свойств испытываемых текстильных волокнистых материалов.

Для оценки микробиологической устойчивости текстильных волокнистых материалов в работе была применена отраслевая “Методика аттестации конструкционных материалов на микробиологическую устойчивость”, принятая в ГНЦ РФ - Институте медико-биологических проблем РАН, которая основана на методе агаровых пластин (метод “зон”).

Выбор тестмикроорганизмов осуществлён в соответствии с данной методикой на вегетативных и спорообразующих формах микроорганизмов (Staphylococcus ayreus, Escherichia coli, Bacillus cereus, или им подобных) на культурах, выращенных в плотной питательной среде.

Устойчивость антимикробной активности нетканых материалов к мокрым обработкам проверяли способами моделирования в лабораторных условиях и бытовых стирок. Наличие и количество антимикробных препаратов в текстильном полотне определяли спектрофотометрическим методом.

Моделирование процесса мокрых обработок проведено путем шестикратной обработки образцов текстильных антимикробных материалов в двух средах нейтральной (дистиллированная вода) и щелочной (одномольный раствор бикарбоната натрия Na₂CO₃) при модуле ванны 1: 2 и температуре 85^оС в течение 30 мин. Количество антимикробного агента , мг, находящегося в растворе после мокрых обработок, рассчитывали по формуле:

, (5)

где _- концентрация антимикробных веществ в анализируемом растворе, мг/мл; _- количество окрашенного экстракта, мл; _- общий объём анализируемого раствора, мл; _- объём раствора, взятый для приготовления рабочего (окрашенного) раствора (50 мл).

Нанодиагностика, как метод определения наночастиц в текстильных нетканых материалах, рассмотрен в главе 6.

В пятой главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований микромеханики разрушения нетканых волокнистых материалов, изготовленных по термоскреплённой, иглопробивной и гидроструйной технологиям, структуры которых существенно различаются.

Структура термоскреплённых нетканых полотен характеризуется сравнительно прочными адгезионными связями (склеек) между волокнами, а структура нетканых полотен, изготовленных гидроструйным и иглопробивным способами, за счет сил трения между волокнами, т.е. фрикционными связями.

Статистические свойства характеристик промышленных партий нетканых материалов формируются под влиянием механизмов и факторов трёх уровней. Это микромеханика разрушения, макронеоднородность материалов и статистическая неоднородность материалов внутри партии. Последнее означает, что разные части партии материала подчиняются своим законам распределения.

В данном исследовании представлен методологический подход выявления основных структурных характеристик материалов, влияющих на их механические свойства и возможность на этой основе прогнозирования механических свойств.

В качестве примера макронеоднородности рассмотрена микромеханика разрушения нетканых полотен, главной составляющей которой является растяжение "сетки", образованной волокнами, связанными адгезионными или фрикционными контактами при воздействии разрушающего напряжения.

Так как процесс разрушения является временным, то с точки зрения кинетики важнейшим фактором при этом становится одновременность разрушения связей между волокнами, так как только в этом случае происходит суммирование их прочности, что наглядно проявляется в виде пиков на кривых "нагрузка - удлинение".

В данной работе термоскреплённый нетканый материал представлен в виде модели, состоящей из последовательно и параллельно соединенных элементов, в виде волокон, соединенных склейками (рис.6). Под воздействием касательного напряжения на волокна происходит разрушение склеек.

а б

Рис.6 Схема разрушения нетканого материала:

а - модель из семи склеек; б - склейки перед разрушением: 1 - неподвижный зажим адгезиометра; 2 - подвижный зажим адгезиометра

Исследования показали, что при деформации сдвига одного волокна, связанного склейками с семью волокнами, на расстоянии между склейками около 1 мм, суммирования прочности склеек не происходит (рис.7, _), как это можно было бы ожидать (рис.7, ?). Таким образом, суммирование прочности склеек статистически вероятно только в связи с большим количеством контактов между волокнами в нетканом материале, которое, например, в стандартной полоске термоскреплённого нетканого полотна составляет величину около 2·10⁶.

Рис.7 Зависимость усилия сдвига одиночного волокна от количества склеек:

_ - экспериментальное значение; ? - ожидаемое значение, если бы при разрушении склеек происходило суммирование усилия сдвига всех склеек

Разрушение термоскреплённого нетканого полотна является проходящим во времени процессом, математически подчиняющимся классу случайных функций. Можно предположить, что суммирование прочности склеек при разрушении термоскреплённого нетканого полотна также случайно и зависит от общего числа склеек в нетканом полотне.

Для определения вида зависимости, связывающей прочность нетканого термоскреплённого полотна адгезионной прочностью склеек между волокнами и параметрами структуры, применен вероятностно-статистический подход, основанный на выделении ответственного за разрушение материала определяющего фактора.

Такой подход соответствует реально наблюдаемому процессу разрушения нетканых материалов при одноосном растяжении в разрывной машине, который свидетельствует о разрушении по механизму выдергивания волокон (деформации сдвига) подвижным зажимом из структуры нетканого материала, что приводит к разрушению связей между волокнами в результате возникновения на них касательных напряжений.

На рис.8 представлена схема расположения случайно выделенных волокон из испытуемой полоски нетканого полотна относительно зажимов разрывной машины.

Рис.8 Схема расположения волокон в зажимах разрывной машины:

0-0 - ось направления действия силы ; 1, 1^' - волокна в зажимах; 2 - волокно, не попавшее в зажим; 3, 4 - зажимы машины, А-А и Б-Б - линии кромок зажимов; 5, 5^' - склейки, 6 - испытуемая полоска

При этом возможно два варианта расположения волокон они или попадают в какой-либо зажим, или не попадают.

Вероятность попадания (пересечения линии кромки) в один из зажимов определяется расстоянием от центра волокна до линии кромки, которое не должно быть меньше и углом его ориентации относительно оси 0-0.

При этом сделано два допущения: случайные величины и угол ориентации распределены равномерно, т.е. подчиняются закону постоянной плотности, а длина волокон принимается без учета их извитости.

Тогда вероятность пересечения каким-либо волокном одной из линий кромок зажимов равна:

, (6)

где вероятность пересечения волокном линии кромки одного из зажимов; длина волокна без учета извитости; среднестатистическая величина угла ориентации волокон с осью 0-0; расстояние между кромками зажимов.

Число пересечений, какого либо волокна, с линией кромки полностью определяется вероятностью и не может быть больше единицы, т.е. математическое ожидание этой величины равно:

. (7)

Вероятность пересечений волокнами кромки одного из зажимов по теореме сложения математических ожиданий равна:

. (8)

Суммарное число волокон в испытуемой полоске 50Ч100 мм находим по зависимости:

, (9)

где масса образца размером 50Ч100 мм, г; диаметр волокна, см; длина волокна, см; средняя плотность волокна, г/см³.

Воздействия разрушающего усилия на волокна нетканого полотна равновозможны, но несовместимы два случая: либо разрушение склейки , либо разрыв волокна , но, так как прочность склеек меньше прочности волокон, благоприятствующим случаем является разрушение склеек, т.е. вероятность разрушения склеек будет равна:

. (10)

С точки зрения теории вероятности два события, а именно вероятность попадания волокон в один из двух зажимов и вероятность разрушения склеек являются независимыми событиями и перемножаются, в этом случае, зависимость, характеризующая прочность нетканого материала , сН, примет следующий вид:

, (11)

где , , , среднестатистические величины.

Для подтверждения полученной зависимости проведён эксперимент, основанный на определении усилия сдвига случайно выделенного волокна из разорванной полоски нетканого полотна из капроновых волокон линейной плотностью 0,25 текс, длиной 65 мм и среднестатистической прочностью 14,2 сН. Зависимости разрывного усилия нетканого полотна от среднестатистического значения усилия сдвига, аппроксимированные методом наименьших квадратов, представлены на рис.9, где видна хорошая сходимость с результатом эксперимента.