Прохоров В.Т. Особенности защиты человека от воздействия низких температур

Подождите немного. Документ загружается.

201

Рис. 2.16. Зависимости удельной теплоемкости от температуры кож в

сухом и гигроскопическом состоянии

Удельная теплоемкость кож с изменением температуры от О

до - 110°С уменьшается (рис. 2.16). Данное изменение Ср связано с

уменьшением подвижности макромолекул полимерного вещества кож

из-за снижения внутренней энергии. Присутствие в коже 6...9 % влаги

независимо от температуры увеличивает теплоемкость подошвенной

кожи и юфти (кривые соответственно 2 и 4) по сравнению с теплоем-

костью абсолютно сухих кож (кривые 1 и 3).

Таким образом, показатели физических свойств обувных мате-

риалов зависят от химического состава, строения, технологии получе-

ния и условий окружающей среды. Следовательно, чтобы осущест-

вить рациональный выбор материалов на изделия для соответствую-

щих климатических зон, необходимо провести всесторонние испыта-

ния, имитирующие условия эксплуатации. Зная теплофизические

свойства материалов при соответствующих условиях эксплуатации

изделия, можно определить эквивалентную теплопроводность пакета

материалов для верха или низа обуви с последующим уточнением его

свойств после лабораторного опробования. В процессе производства

изделий из кожи и иногда при их эксплуатации материалы подверга-

202

ются действию повышенных и пониженных температур. Для оценки

стойкости материалов к действию повышенных температур опреде-

ляют их тепло- и термостойкость. Теплостойкость характеризуют

максимальной температурой, при которой изменения свойств мате-

риала носят обратимый характер. Термостойкость характеризуют

температурой, при которой начинается термический распад материа-

ла, т. е. свойства изменяются необратимо.

При нагревании полимерных материалов поглощение тепло-

вой энергии приводит к движению молекул и атомов, т.е. увеличению

подвижности макромолекул, сопровождающейся снижением прочно-

сти и повышением деформируемости материала, При более значи-

тельном повышении температуры в ряде случаев происходит химиче-

ская деструкция полимера и необратимое изменение свойств материа-

лов. Например, полиэтилен при нагревании деструктурируется, а по-

ливинилхлорид претерпевает химические изменения без разрыва свя-

зей в главной цепи.

Важнейшим фактором, определяющим тепло- и термостой-

кость полимеров, является энергия связи между атомами в главной

цепи. Наиболее устойчива к действию тепла углерод - углеродная

связь. Наличие атомов водорода в молекуле полимера резко снижает

энергию связи. Неразветвленные полимеры, особенно стереорегуляр-

ные, более термостойкие, чем разветвленные. При наличии кислорода

в составе полимера (например, в целлюлозе) его термостойкость неве-

лика.

Изделия из пластмасс эксплуатируются в твердом состоянии –

кристаллическом или стеклообразном, поэтому их теплостойкость ог-

раничивается температурой стеклования. Для определения отношения

материала к действию повышенных температур используют термоме-

203

ханический метод. Он заключается в построении зависимостей де-

формации от температуры (термомеханических кривых). Материалы

для изделий из кожи существенно различаются структурой и типом

полимерной составляющей, поэтому их поведение при нагревании

различно. Выдубленные коллагеновые волокна, являющиеся основой

кожи, при нагревании до определенной температуры самопроизвольно

укорачиваются вдоль своей оси. Сокращение образца кожи сопровож-

дается изменением ее свойств. Такое явление называют свариванием,

а температура, при которой начинается резкая усадка образца, – тем-

пературой сваривания. Эту температуру можно считать пределом теп-

лостойкости кожи. Явление сваривания подробно описано в работах

А.Н. Михайлова, Г.И. Кутянина, Р.С. Уруджева. С повышением тем-

пературы увеличиваются колебательные движения связей, соединяю-

щих коллагеновые цепи. При достижении температуры сваривания

колебательные движения разрывают связи между цепями, что сопро-

вождается уменьшением размеров и предела прочности образца при

растяжении.

На термостойкость кож существенно влияет характер связей в

структуре коллагена и связей, возникающих в процессе дубления. Ус-

тановлено, что температура сваривания сухого коллагена не зависит

от метода дубления, но под влиянием дубления момент появления те-

кучести коллагена при нагревании сдвигается в область более высо-

ких температур, так как разрушение образовавшихся при дублении

более прочных связей требует большей температуры. Тепло- и термо-

стойкость кожи зависят от продолжительности термообработки, мето-

да дубления, содержания влаги и жира, других факторов.

Кривые термической усадки кожи приведены на рис. 2.17.

204

Рис. 2.17. Кривые термической

усадки голья (/) и кожи

хромового дубления (2)

Рис. 2.18. Термомеханические

кривые синтетических

кож СК-8 (/) и СК-2 (2)

При воздействии тепла на сухую кожу решающее влияние на

усадку оказывает время начального периода термообработки. Напри-

мер, основная усадка кожи при ее нагревании в течение 60 мин при

постоянной температуре происходит на первой минуте – 40…80%

общей усадки. Увлажнение кожи снижает температуру сваривания и

увеличивает усадку, так как гидратация ослабляет силу связи между

цепями. Температура сваривания кожи зависит от метода дубления и

количества дубящего агента. Наибольшую устойчивость к нагреванию

сообщают коже основные соли хрома, причем при увеличении содер-

жания хрома термостойкость кожи возрастает. При комбинированном

методе дубления наибольший эффект дает сочетание солей хрома с

алюминиевыми квасцами. Температура сваривания кожи таннидного

дубления составляет 70...85°С, жирового – -65...-70°С. Свойства кожи

зависят от температуры сваривания. Например, кожи с повышенной

205

температурой сваривания имеют более высокий модуль упругости,

малую остаточную деформацию и меньшую истираемость.

Увеличение содержания жира в коже снижает ее усадку. Кро-

ме температуры сваривания характеристикой термостойкости кожи

является гигротермическая устойчивость. Ее определяют как отноше-

ние пределов прочности при растяжении группы образцов, подвергну-

тых гигротермической обработке (намокание 1 ч, выдержка в эксика-

торе над водой при температуре 60°С 4 ч, повторное намокание 0,5 ч),

и группы образцов, только увлажненных в воде в течение 18 ч. Для

подошвенных кож этот показатель должен быть не менее 80%.

Тепло- и термостойкость резин зависят от природы каучука,

состава резиновой смеси и структуры вулканизующей группы. Наибо-

лее высокой тепло- и термостойкостью обладают резины на основе

силиконовых каучуков. Удовлетворительна теплостойкость бутадиен-

нитрильных каучуков типа СКН-40М, на основе которых изготовляют

подошвы спецобуви для рабочих горячих цехов металлургической

промышленности. Низка теплостойкость подошв на основе бутадиен-

стирольных каучуков СКС-30, БС-45К, из которых изготовляют по-

дошвы для большинства видов обуви. Наличием звеньев стирола в бу-

тадиен-стирольных каучуках объясняется легкая формуемость подошв

при нагревании. В результате возникает дефект «вылегание следа

обуви», для предотвращения которого в резиновую смесь добавляют

смолы с высокой температурой размягчения. Поведение резин при

действии тепла зависит от типа вулканизатора. При использовании в

рецептуре тиурама и термореактивных смол образуются углерод – уг-

леродные поперечные связи, обеспечивающие более высокую термо-

стойкость, чем полисульфидные в серных вулканизатах. Повышению

206

теплостойкости способствует замена углеродных наполнителей (тех-

нический углерод) минеральными (асбест).

При литье подошв и каблуков из полимеров (поливинилхло-

рид, полиэтилен, полипропилен, капрон) последним необходимо

обеспечить переход в вязкотекучее состояние при возможно более

низкой температуре, которая и будет определять теплостойкость из-

делия, т.е. сохранение его формы при нагревании. Температура плав-

ления полиэтилена БД составляет 105...115°С, полиэтиленаНД – -

125...131°С, полипропилена – -160...170°С, композиций поливинил-

хлорида – -120°С, капрона – -215°С.

Искусственные кожи для верха обуви испытывают действие

повышенных температур в основном в процессах термофиксации, ко-

гда материал вытягивается на определенную величину (6...9%), а за-

тем при постоянной деформации подвергается термофиксации при

температуре 150...200°С в течение 5...10 мин. Н.Ф. Вороновым полу-

чены термомеханические кривые деформации искусственных кож СК-

2 и СК-8 (рис. 2.18), различающихся наличием у СК-2 промежуточно-

го слоя подлицевой ткани. Образцы были предварительно вытянуты

усилием, составляющим 10 % нагрузки при разрыве. Для кожи СК-8

характерно интенсивное увеличение удлинений с повышением темпе-

ратуры с точкой перегиба при температуре 78°С, обусловленной раз-

мягчением материала. У кожи СК-2 наличие подлицевой ткани обу-

словливает постепенное нарастание удлинений при увеличении тем-

пературы без перегиба кривой. Увеличение предварительной вытяжки

приводит к возрастанию максимальной термической усадки, особенно

при более высоких температурах термофиксации. Теплостойкость

тканей зависит в основном от их волокнистого состава. Целлюлозные

волокна при нагревании до температуры 100°С снижают свою проч-

207

ность на 20…30%, но восстанавливают ее при охлаждении. Повыше-

ние температуры до 140...150°С приводит к необратимым химическим

изменениям целлюлозных волокон. Полиэфирные волокна выдержи-

вают длительное нагревание при температуре 160°С, а полиакрило-

нитрильные - до температуры 180°С. Эти волокна плавятся при тем-

пературе 250...260°С, а асбестовые волокна – при температуре

1450...1550°С. При контакте ткани с нагретой поверхностью повреж-

дается наружный слой волокон. Если ткань увлажнена, то тепло рас-

пределяется на большую глубину и повреждение волокон будет

меньшим.

При действии на материалы изделий из кожи пониженных

температур (от 0 до -40°С) их свойства, прежде всего механические,

существенно изменяются: повышаются показатели истираемости, же-

сткости, разрывная нагрузка возрастает в ряде случаев на 20...40%,

снижаются разрывные удлинения на 10...30 %, сопротивление много-

кратному изгибу. Многократное охлаждение-нагревание изменяет

структуру и свойства материалов. Характер изменения свойств мате-

риала при действии пониженных температур зависит от вида полиме-

ра, степени его гидрофильности и влажности материала. При пони-

женных температурах уменьшается тепловая подвижность полимеров.

У гидрофобных материалов, содержащих небольшое количество вла-

ги, влияние охлаждения-нагревания менее существенно, чем у гидро-

фильных. Это объясняется тем, что при фазовом переходе вода – лед

объем льда увеличивается на 9 %. В гидрофобных материалах изме-

нение сказывается лишь на макроструктуре материала, а у гидро-

фильных, содержащих во много раз больше влаги, распространяется и

на молекулярный уровень.

208

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ

ТЕКСТИЛЬНЫХ ПОЛОТЕН

Цель работы. Изучение аппаратуры и методики определения

теплозащитных свойств полотен.

Задание 1. Изучить характеристики теплопроводности тек-

стильных полотен, аппаратуру и методику испытаний.

Задание 2. Определить показатели теплозащитных свойств

полотна методом регулярного или стационарного теплового режима.

Основные сведения

Теплозащитные свойства полотен зависят от их теплопровод-

ности-способности проводить тепло от более нагретой среды к более

холодной. Основными характеристиками теплопроводности являются:

– коэффициент теплопроводности λ, [Вт/(м°С)], показываю-

щий тепловой поток, который проходит за 1 ч через 1 м полотна тол-

щиной 1 м при разности температур 1°С:

))(/(

TTSQb −=

τλ

, (2.56)

где Q – тепловой поток, Вт; b – толщина полотна, м; S – площадь по-

лотна, м

; τ – время прохождения теплового потока, ч; Т

,Т

– темпе-

ратура сред, °С;

Коэффициент теплопередачи К [Вт/(м °С)], показывающий теп-

ловой поток, который проходит за 1 ч через 1 м

полотна при его фак-

тической толщине и разности температур сред 1 °С:

))(/(

TTSQK

−

, (2.57)

209

1Вт=0,86ккал/(чм°С).

Удельное тепловое сопротивление р (м·°С/Вт) -характеристика,

обратная коэффициенту теплопроводности; показывает, на сколько

градусов охлаждается среда с более высокой температурой при про-

хождении через 1 м

полотна условной толщины теплового потока в 1

Вт:

(

)

/1/)/(

−

QbTTSp

, (2.58)

Тепловое сопротивление R(м

°С/Вт) – характеристика, обрат-

ная коэффициенту теплопередачи; показывает, на сколько градусов

охлаждается среда с более высокой температурой при прохождении

через 1 м

полотна фактической толщины b теплового потока в 1 Вт:

KbQTTSR //)(

−

(2.59)

Удельное тепловое сопротивление р и тепловое сопротивление

R характеризуют способность полотен препятствовать прохождению

через них тепла, т.е. их теплозащитные свойства. Для текстильных

полотен в качестве основной характеристики теплозащитности ис-

пользуют суммарное тепловое сопротивление R

сум

(м

·°С/Вт):

сум

(2.60)

где R

– сопротивление переходу тепла от более теплой среды к

внутренней поверхности полотна; R

– тепловое сопротивление по-

лотна; R

– сопротивление переходу тепла от наружной поверхности

полотна в окружающую среду.

Коэффициент теплопередачи К, определяют как обратную ве-

личину суммарного теплового сопротивления: К= 1/К.

Суммарное тепловое сопротивление определяют методами ре-

гулярного стационарного режима.

210

Метод регулярного режима основан на измерении скорости

(темпа) охлаждения нагретого до заданной температуры тела, изоли-

рованного от окружающей среды испытуемой пробой. Темп охлажде-

ния V (с-

) определяю по формуле:

(

)

/lnln

NNu

−

, (2.61)

где

NN ln,ln

– натуральные логарифмические функции показаний

гальванометра, соответствующие перепадам температур; τ – время ох-

лаждения пластины прибора (Т

- Т

) в заданном перепаде температур,

с.

На основании темпа охлаждения R

сум

(м°С/Вт) рассчитывают в

зависимости от применяемой аппаратуры по следующим формулам:

сум

=1/(υФ); (2.62)

сум

=Е/ФК(υ-ВЕ), (2.63)

где Ф – фактор прибора, Дж/(м

°С); Е – коэффициент, учитывающий

соотношение теплоемкостей пластины и полотна, Дж/°С; К – коэф-

фициент, учитывающий рассеяние теплового потока в пробе; В – по-

правка на рассеяние теплового потока в приборе, с

-1

Коэффициент Е вычисляют по формуле:

Е=2С

/(3С

+С

), (2.64)

где С

, С

– полная теплоемкость соответственно пластины прибора и

полотна, Дж/°С (С

= 1,675-10

· mS, где m - поверхностная плотность

полотна, кг/м

; S - площадь пластины, м

Коэффициент К вычисляют по формуле: