Рис.9 Графики: - опытной (1) и - теоретической (2) зависимостей разрывного усилия от усилия сдвига

Графические данные результатов проверки подтвердили гипотезу о нормальном законе распределения. Проверка данного распределения и расчет по критерию Пирсона для двух конкурирующих гипотез нормального и логнормального распределений - свидетельствуют в пользу нормального распределения.

Для оценки эксплутационных свойств изделий важно нахождение максимальной прочности нетканых материалов. Для определения среднестатистической прочности материала использована математико-статистическая модель постадийного разрушения термоскреплённого нетканого полотна под действием постепенно возрастающей нагрузки.

В связи с неоднородностью прочности склеек, которая может изменяться от до , распределение значений усилий сдвига, воспринимаемых склейками n при вытягивании волокон, можно выразить с помощью интегральной функции распределения следующего вида:

, (12)

где и соответственно максимальное и минимальное усилия сдвига волокон.

При некоторой нагрузке сначала будет достигнуто квазистационарное состояние системы, которому отвечает условие:

. (13)

При возрастании нагрузки, когда , может быть найдена максимальная нагрузка, воспринимаемая склейками, которая соответствует:

. (14)

Подставляя (14) в (13), получим максимальную нагрузку, воспринимаемую склейками вплоть до разрушения нетканого материала:

. (15)

Для практического применения (15) найдена функция распределения склеек по прочности и её статистические характеристики, на основе анализа которых может быть вычислена среднестатистическая прочность материала:

, (16)

где Ф (t) - функция Лапласа при .

Для исследуемого нетканого термоскреплённого материала, значение прочности склеек, соответствует разрушению материала:

. (17)

В результате изучения микромеханики разрушения нетканых полотен, изготовленных гидроструйным и иглопробивным способами, установлено, что поведение этих материалов при воздействии разрушающей нагрузки аналогично поведению термоскреплённых нетканых полотен, так как на процесс их разрушения действуют те же факторы, а различаются эти материалы только характером связей волокон.

У гидроструйного нетканого материала, как это видно на рис.10, а, волокна связаны преимущественно фрикционными контактами. Схематичная конструкция гидроскреплённого нетканого материала, при ориентации волокон в холсте в продольном направлении, показана на рис.10, б.

а б

Рис.10 Гидроструйное нетканое полотно:

а - микрофотография участка полотна; б - схема структуры полотна: 1 - одно из “пассивных” волокон; 2 - одно из “активных" волокон; 3 - пучок “пассивных ” волокон; 4 - зацепление “активных" волокон между собой

Исследование взаимосвязи между внешней силой, приложенной к волокну при сдвиге, и числом обвиваний на модели из двух скрученных волокон, проведённые Линдбергом и Граленом, показало, что между коэффициентом трения или усилием тангенциального сопротивления при вытягивании волокна и углом охвата существует зависимость вида:

, (18)

где , натяжение волокон; число витков; угол между осями волокон и осью скрученного элемента.

Среднестатистический угол охвата волокон в нетканом полотне, изготовленном гидроструйным способом, составил 5,1 рад.

Петлеобразование носит случайный характер, так как определяется высокой турбулентностью потока воды и зависит, главным образом, от упругопластических свойств волокон и их геометрических параметров.

Так же как и у термоскреплённого материала, определяющим параметром, влияющим на прочность нетканого материала, изготовленного гидроструйным способом, является показатель усилия сдвига волокон. Однако в отличие от термоскреплённого нетканого полотна положение отдельных волокон и групп волокон в нём жестко не зафиксировано. Несмотря на то, что в основе прочности таких материалов лежит способность волокон к образованию связанных волокнистых структур за счет фрикционных связей, эта способность проявляется в специфичной форме.

На гистограмме нормального распределения сдвиг частот в сторону меньших значений свидетельствует о прочности материала, определяемой преимущественно фрикционными связями, причем часть волокон практически не закреплена и является как бы “наполнителем”.

Наличие сравнительно больших значений , вызвано обрывом волокон, что так же свидетельствует в пользу предложенной модели гидроскреплённого нетканого полотна.

Статистическая обработка экспериментальных результатов и расчет прочности материала по выведенной зависимости (11) подтвердили предложенный механизм разрушения гидроскреплённого нетканого материала и универсальность данного уравнения.

Проведены исследования зависимости прочности от усилия сдвига иглопробивных нетканых материалов из ПП и Вс волокон. В результате статистической обработки первичных данных рассчитаны частоты значений усилия сдвига, попадающих в частные интервалы. Характерным, как и у гидроскреплённого нетканого полотна, является смещение усилия сдвига в сторону меньших значений. Анализ кумулятивных зависимостей показал, что около 70 % значений усилий сдвига находится в диапазоне от 0 до 8 сН.

Значительный разброс значений усилия сдвига волокон иглопробивного нетканого полотна, изготовленного из ПП волокон, объясняется тем, что наряду с разрушением фрикционных связей происходит разрыв волокон, прочно связанных в лигатурах (местах интенсивного перепутывания волокон), под которыми понимаются локальные участки иглопробивного нетканого материала, где волокна наиболее сильно переориентированы под воздействием игл.

Результаты исследований показывают, что механизм разрушения иглопробивных нетканых полотен носит смешанный характер. Также отмечено, что при прочих постоянных величинах структурных характеристик, определяющая роль прочности иглопробивного нетканого полотна лежит на деформации усилия сдвига волокон.

Поскольку у иглопробивных и гидроскреплённых нетканых полотен механические свойства определяются преимущественно прочностью и количеством фрикционных контактов, то рассмотренные выше теоретические представления как для одних, так и для других материалов близки и могут рассматриваться в едином аспекте.

Доказано, что полученная зависимость, характеризующая прочность нетканого полотна, приемлема для материалов, полученных разными способами производства.

В шестой главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований структуры и свойств материалов, предназначенных для изделий, эксплуатируемых в условиях техногенных катастроф и биологически активных сред.

Экспериментальные исследования и полученные результаты подтвердили правильность теоретических изысканий оптимальной структуры и сырьевого состава разработанных нетканых иглопробивных с термоскреплением полотен (ТУ 412-795-89) для защитных видов спецодежды. Показано, что оптимальное введение в лицевой слой нетканого полотна 30 % вискозных волокон обеспечивает нормализацию гигиенических показателей без ухудшения защитных и прочностных свойств.

Установлено, что воздухопроницаемость данного многослойного нетканого полотна не изменяется даже при 100% - ной относительной влажности воздуха, однако в состоянии повышенного водопоглощения воздухопроницаемость данного снижается. Характерно, что для разных по составу и структуре нетканых полотен темп снижения воздухопроницаемости при увлажнении различен. Зона стабильной воздухопроницаемости зависит от сырьевого состава и его структуры. Уменьшение соотношения массы лицевого и изнаночного слоёв позволило увеличить зону стабильной воздухопроницаемости нетканых полотен, увлажнённых до 36 %. В свою очередь введение гидрофильных волокон в лицевой слой полотна позволило повысить допустимое содержание влаги в полотне до 60 % без заметного снижения его воздухопроницаемости.

Для прогнозирования защитной эффективности многослойных нетканых материалов была разработана и предложена статистическая модель, основанная на множественной линейной регрессии и учитывающая структурные характеристики материалов:

, (19)

где защитная эффективность; свободный член; вес показателя свойств; показатель свойств нетканого полотна ( воздухопроницаемость, поверхностная плотность и толщина).

После расчёта весов , , показателей свойств и свободного члена, значение которого составило , получено регрессионное уравнение, имеющее вид:

. (20)

Предложенное уравнение регрессии позволяет не только рассчитать проницаемость посторонних частиц в пододёжное пространство, но и прогнозировать её значение в процессе эксплуатации, а так же устанавливать требуемую (допустимую) пылепроницаемость при разработке нетканых текстильных материалов одежды, меняя их показатели свойств.

Гидроструйное двухслойное нетканое полотно с антимикробным агентом (ТУ 8397-260-00302327-04) имеет более высокие физико-механические показатели по сравнению аналогами, используемыми в изделиях, защищающих от биоцидного загрязнения. Волокна, входящие в структуру разработанного нетканого полотна, способны достаточно свободно перемещаться друг относительно друга, поскольку не соединены склейками, а хаотично закреплены в армирующем слое марли. Введение армирующего слоя в разработанное гидроструйное нетканое полотно позволило в 2 раза повысить прочность обычных гидроструйных нетканых полотен и практически достичь физико-механических показателей хлопчатобумажной ткани. Однако, из-за своего строения, разработанное нетканое полотно также обладает ограниченной свободой сдвига волокон, а его разрывные характеристики повышаются в основном за счет увеличения поверхностной плотности материала.

Разработанное гидроструйное нетканое полотно условно может быть отнесено к III классу изделий (СанПиН 2.4.7/1.1.1286-03), так как обладает высокими гигиеническими показателями: гигроскопичностью 15,7±2 % и воздухопроницаемостью 643,0±5 дм³/м²•с. Значения гигиенических показателей свойств разработанного нетканого антимикробного полотна в сравнении с известными текстильными материалами, используемыми при изготовлении биологически активных изделий, представлены в таблице 3.

Таблица 3

Проведённые исследования по созданию комплекса бактерицидных препаратов, обладающих синергическим эффектом продолжительного действия, позволили сделать вывод, что использование единичных антимикробных препаратов (катамин АБ, фурагин, гексахлорофен, пентахлорофен, соли различных металлов и др.) не дают устойчивого синергического эффекта.

Для получения наилучшего антимикробного эффекта, устойчивого к наиболее распространенной патогенной микрофлоре, достаточно двух антимикробных веществ катамина АБ и йодида калия при их суммарном содержании 1,3 масс % в нетканом полотне (ТУ 8397-260-00302327-04), что экспериментально подтверждено рядом ведущих организаций (ВЦМК “Защита”, ГНЦ РФ-ИМБП РАН, КЦ “Полисерт”). Результаты антимикробной активности нетканого полотна представлены в таблице 4.

Таблица 4

Проведёны исследования по применению антимикробных препаратов, содержащих в своём составе наноразмерные вещества, в частности, ионы серебра. С этой целью модифицированы волокнистые нетканые материалы обратномицелярным раствором наноразмерных частиц серебра, содержащим (масс. %): наночастицы серебра в пересчёте на Ag^{+ -} 0,01-0,15; диоксилсульфосукцинат натрия - 6,0-12,5; вода - 1,0-3,5; изооктан - остальное.

Результаты исследований показали, что желаемого эффекта данный препарат не дал. Препарат не обладает выраженной бактерицидной активностью ни к одному из микроорганизмов. Были отмечены лишь зоны разрежения роста или неполной гибели бактериальной культуры. Однако непосредственно под образцами материала бактерии полностью погибали, что свидетельствует о наличие бактериостатического эффекта.

Лучшие антимикробные свойства комплекса из катамина АБ и йодида калия обусловлены диффузией органического биологически активного компонента нетканого полотна в органическую среду при контакте с кожей человека. В свою очередь, наночастицы серебра, агрегируя с текстильными волокнами, прочно удерживаются ими на поверхности и обеспечивают длительный бактериостатический эффект.

Результаты исследований антимикробной активности гидроструйного нетканого полотна после бытовых стирок показали, что после 6 стирок в воде и растворе синтетических моющих средств (СМС) образцы антимикробного нетканого полотна, модифицированного раствором катамина АБ и йодида калия, сохраняют высокие антимикробные свойства в отношении золотистого стафилококка (S. аureus). Относительно кишечной палочки (E. сoli) антимикробная активность практически не меняется как при стирках в воде, так и в растворе СМС, для дрожжеподобного гриба (C. аlbicans) активность при стирках в воде также не существенно изменяется. Однако у образца, подвергнутого шестикратной обработке в растворе СМС, биологическая активность в отношении C. аlbicans отсутствует.

Экспериментально установлено, что нетканое полотно, в среднем, отдаёт на 18 % меньше катамина АБ в нейтральной среде и на 16 % в мыльном (щелочном) растворе. При этом малая вымываемость катамина АБ из нетканых полотен в щелочном растворе объясняется тем, что в результате взаимодействия со щелочным агентом иодид катамина АБ переходит из солевой в менее растворимую основную форму R₄N⁺OH ?.

С помощью лазерно-искровой спектроскопии исследовано и установлено наличие наноразмерных (1-10 нм) частиц серебра в структуре нетканых волокнистых нетканых материалов. Спектральное отражение одного из образцов представлено на рисунке 11.

Рис.11 Спектр нетканого полотна, обработанного обратномицелярным раствором наноразмерных частиц серебра после термообработки (хорошо видна линия серебра Ag⁺)

С применением спектрального анализа определена массовая концентрация исследуемых наноразмерных препаратов после технологических операций производства нетканого полотна (после обработки на чесальной машине, иглопрокалывания и термообработки). Установлено, что содержание серебра в НП после обработки полотна на чесальной машине и иглопрокалывании существенно отличается от образцов после термообработки. Объясняется это уплотнением волокнистого материала после термообработки на каландрах.

Исследования, проведённые методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), подтвердили наличие наноразмерных частиц препаратов в структуре материала как в виде отдельных кластеров (наночастицы серебра), так и в скоплениях, формирующих “панцирь” значительного порядка (раствор катамина АБ и йодида калия). С помощью АСМ получены изображения волокон, модифицированных этими препаратами, а также и их размерность, представленные на рисунках 12 и 13.

Рис.12 АСМ-изображение волокна, модифицированного обратномицелярным раствором наноразмерных частиц серебра, и их размерность: слева в режиме подсветки топографического изображения; справа режиме фазового контраста

а б

Рис.13 АСМ-изображение волокна, модифицированного Катамином АБ и KJ, и их размерность: а - режим подсветки топографического изображения; б - режим фазового контраста

В седьмой главе представлено практическое использование разработанных волокнистых нетканых материалов для спецодежды, защищающей от техногенных катастроф и биологически активных сред, решён ряд научно-технических и практических задач. Были разработаны и приняты к производству следующие виды изделий:

спецодежда краткосрочного использования (СпКИ) из нетканого иглопробивного с термоскреплением полотна (ТУ 412-795-89);

медицинская одежда из нетканого гидроскреплённого антимикробного полотна (ТУ 8397-260-00302327-04);

специальная одежда с повышенными защитными свойствами, обусловленными применением элементов нанотехнологий из нетканого иглопробивного с термоскреплением полотна (ТУ 8397-277-00302327-06).

Опытные партии разработанных нетканых полотен были использованы для изготовления специальных видов спецодежды.

Внедрение спецодежды из нетканого полотна (ТУ 412-795-89) осуществлено на ПО “Ульбинский металлургический завод" (г. Усть-Каменогорск) и Электрохимическом заводе (г. Красноярск-45).

Разработанные приборы и устройства применяются при исследовании специальных свойств нетканых волокнистых материалов на предприятиях и в организациях: МГУДТ, СПбГУТД, ОАО НИИНМ, ВЦМК “Защита”.

Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении 14 хозяйственных договоров и контрактов с организациями федерального значения.

Заключение