Способ повышения теплозащитных свойств комплекта одежды, утеплитель на основе оленьей шерсти для его реализации и теплозащитный комплект одежды на его основе
METHOD FOR INCREASING HEAT-PROTECTIVE PROPERTIES OF SET OF CLOTHES, REINDEER-BASED INSULATION FOR IMPLEMENTATION THEREOF AND HEAT-PROTECTION SET OF CLOTHES BASED THEREON

Изобретение относится к легкой промышленности, а именно: к защитной одежде для работы в условиях экстремально низких температур.
Для работающих в климатических условиях Крайнего Севера остро стоит проблема комплексной защиты от холода как актуальная техническая и социально-экономическая задача в обеспечении условий высокопроизводительного труда и охраны здоровья трудящихся. Для комфортного пребывания работника в особо суровых климатических условиях при выполнении работ на открытой территории и в неотапливаемых помещениях, необходимым требованием является поддержание теплового равновесия, которое осуществляется, в первую очередь, посредством одежды. Таким образом, к одежде предъявляются повышенные требования. Одежда должна представлять собой пакет материалов из не менее 3-х слоев: покровного слоя, утепленной прокладки и подкладки.
В настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом, приняты следующие базовые принципы проектирования теплозащитной одежды, которые заключаются в следующем:
- необходимо выводить влагу из-под одежного пространства во избежание его увлажнения с помощью гидрофобных материалов нижних слоев одежды;
- теплозащитные свойства одежды можно повысить путем повышения содержания инертного воздуха за счет увеличения толщины пакета материалов.
Однако при этом не учитывается, что удаляемая «внутренняя влага» - это продукты перспирации, т.е. достаточно горячий пот человека, содержащий вырабатываемое организмом тепло, которое теряется при выведении влаги из-под одежды, но при этом человек на холоде не может восполнить потерянную теплопродукцию, не имея дополнительных источников тепла. К тому же, при выведении продуктов перспирации наружу пакет материалов одежды увлажняется и повышает свою теплопроводность, что также усиливает безвозвратную потерю тепла организмом человека.
В соответствии с ГОСТ Р 12.4.236-2011 ССБТ «Одежда специальная для защиты от пониженных температур. Технические требования» в теплозащитной прокладке применяют текстильные нетканые материалы, вату, перопуховой наполнитель, натуральный и искусственный мех и другие теплозащитные материалы.
Известна конструкция пакета материалов одежды для защиты от пониженных температур (Патент на полезную модель RU 111404, МПК: A41D 31/00, опубл. 20.12.2011). Указанная конструкция пакета материалов одежды для защиты содержит два слоя материала оболочки, формирующих лицевую и изнаночную стороны пакета, и расположенную между ними утепляющую прокладку. Причем утепляющая прокладка выполнена комбинированной и состоит из двух слоев объемного нетканого полотна и перового утеплителя, закрепленного между ними в отдельных отсеках, образованных строчками выстегивания, линиями сварки или притачанными переборками, при этом перовой утеплитель придает пакету необходимую толщину, а объемное полотно, изолируя жесткий перовой утеплитель, - требуемую мягкость материала на ощупь.
Недостатками данного пакета является относительно высокая стоимость исходного материала в связи со сложностью технологии изготовления, большая толщина для бельевой одежды ввиду упругости пера и жесткие требования к процессу мойки, чистки и сушки изделий, содержащих данный вид утеплителя, т.к. перо уже при 130°С начинает разрушаться, а при температуре выше 140°С начинает обугливаться.
Известен нетканый волокнистый материал «Шерстипон» и способ его получения (Заявка на изобретение RU 94040298, МПК: D04H 1/46, опубл. 27.05.1996).
Нетканый волокнистый материал «Шерстипон» состоит из смеси шерстяных и лавсановых волокон, причем шерстяные и лавсановые волокна содержатся в материале в равных пропорциях, а в качестве связующего используется раствор поливинилацетатной дисперсии. Способ получения нетканого волокнистого материала «Шерстипон» включает формирование холста из смеси шерстяных и лавсановых волокон, причем указанную смесь готовят из расчета 50% шерстяного и 50% лавсанового волокна от веса холста, а на сформированный холст с двух сторон наносят раствор поливинилацетатной дисперсии с последующей тепловой обработкой после каждого напыления.
Недостатками данного нетканого волокнистого материала является низкая максимально допустимая температура стирки 30°С, как машинной, так и ручной, и неоптимальное удаление жидкости перспирации. Кроме того, в реальных условиях эксплуатации изделия данный утеплитель теряет свои теплоизоляционные свойства не менее 3-х раз, Относительно установленных в нормальных условиях (t воздуха 18±2°С, скорость движения воздуха 0 м/с, влажность воздуха 65%) и указанных в стандартах (см. Расторгуева Л.Н. «Средства индивидуальной защиты человека от холода на севере. Традиции и современные разработки» (г. Якутск, 1999 г.).
Известен облегченный пакет материалов для теплозащитной (теплосберегающей) одежды (Патент RU 2170048, МПК: A41D 13/00, A41D 27/00, A41D 31/00, опубл. 10.07.2001, Бюл. №19), который содержит два или несколько слоев утеплителя из закрытоячеистого эластичного газонаполненного полимера, причем указанные слои выполнены из закрытоячеистого пенополиэтилена с плотностью 20-50 кг/м3 толщиной 0,5-3,0 мм. Пакет придает повышенные теплосберегающие свойства одежды и уменьшает ее массу.
Недостатками данного облегченного пакета материалов для теплозащитной одежды является ее не гигроскопичность и невозможность удаления жидкости перспирации.
С недавнего времени нашло применение такого натурального наполнителя, как оленья шерсть, которая обладает хорошими теплофизическими и гигиеническими свойствами, небольшой поверхностной плотностью и является достаточно дешевым сырьем.
2
По данным монографии Расторгуевой Л.Н. «Средства индивидуальной защиты человека от холода на севере. Традиции и современные разработки» (г. Якутск, 1999.), олений волос имеет полую структуру с содержащимся в нем инертным воздухом, что обеспечивает суммарное тепловое сопротивление оленьего меха в пределах 0,150-0,806 (м.°С)/Вт в зависимости от высоты/длины волоса. Оленья шерсть содержит до 80% пуха, который, из-за малой толщины, составляет незначительную часть массы волосяного покрова. Причем высота «мертвого» (остевого) волоса составляет 4,5-5,0 см, пуха - 3-4 см. Гигроскопичность оленьей шерсти равна 26,4%, в то время как максимальная гигроскопичность материалов из шерсти составляет 24%, а из вискозы - 25,8%. Время установления сорбционного равновесия составляет 13 ч.
2
2
Наиболее близким к заявленному объекту является «Теплозащитная спецодежда», патент на изобретение RU 2106100, заявка №5054651/12, от 15.07.1992, МПК: А41D 13/00, опубл. 10.03.1998 - прототип, согласно которому теплозащитная спецодежда содержит пакет материалов верхнего костюма и пакет материалов утепленного белья. Последний состоит из двух слоев материала, имеющих ворсистую поверхность, по меньшей мере с одной стороны, расположенной внутри пакета, и промежуточного слоя из оленьей шерсти с поверхностной плотностью 120 г/м при тепловом сопротивлении пакета утепленного белья не менее 0,196 мК/Вт и его гигроскопичности не менее 16%.
Недостатками известного изобретения является значительная масса одежды, обусловленная использованием тяжелых ворсистых натуральных тканей. Кроме того, их использование ведет к накоплению влаги в подкладке утепленного белья и возрастанию массы костюма в процессе эксплуатации. В конечном счете, ухудшаются эксплуатационные и физиолого-гигиенические свойства одежды, а использование натуральных тканей и трудоемкий ручной способ расстилания и крепления оленьей шерсти в утеплителе - к увеличению себестоимости производства и ограничивает область его применения.
Задачей предложенного изобретения является:
- улучшение теплозащитных, физиолого-гигиенических и эксплуатационных свойств одежды, предназначенной для работы в условиях пониженных температур, преимущественно, в арктических и субарктических регионах страны;
- эффективное использование уникального натурального сырья -оленьей шерсти, удешевление и расширение производства теплозащитной одежды с утеплителем на ее основе;
- улучшение эксплуатационных свойств утеплителя с оленьей шерстью за счет предотвращения ломкости и осыпаемости последней, ее миграции на поверхность изделия при носке;
- снижение массы костюма.
Решение поставленной задачи достигается тем, что, в предложенном способе повышения теплозащитных свойств комплекта одежды с утеплителем на основе шерсти, содержащем верхний наружный костюм, одеваемый на внутренний промежуточный костюм и/или их элементы, согласно изобретению, во внутренней части комплекта, между частями костюмов и/или их элементов образуют как минимум, одну, предпочтительно несколько автономных термостатических зон и, как минимум, один, предпочтительно, несколько дополнительных приграничных слоев скрытой теплоты испарения за счет температуры продуктов перспирации.
Для реализации указанного способа предложен утеплитель на основе оленьей шерсти, который, согласно изобретению, выполнен состоящим из оленьей шерсти и натурального и (или) синтетического волокна, при этом содержание оленьей шерсти составляет не менее 25%.
Для реализации указанного способа предложен теплозащитный комплект одежды, который, согласно изобретению, содержит промежуточный костюм-утепленное белье, надеваемое на внутреннее нательное белье, и/или верхний костюм или их элементы, при этом указанные костюмы и/или их элементы изготовлены с утеплителем на основе оленьей шерсти таким образом, что во внутренней части комплекта, между частями костюмов и/или их элементов образованы как минимум, одна, предпочтительно несколько автономных термостатических зон и, как минимум, один, предпочтительно, несколько дополнительных приграничных слоев скрытой теплоты испарения.
В варианте исполнения, теплозащитный комплект дополнительно содержит костюм нательного и/или нижнего белья.
В варианте исполнения, утеплитель на основе оленьей шерсти выполнен состоящим из оленьей шерсти и натурального и (или) синтетического волокна, при этом содержание оленьей шерсти составляет не менее 25%.
В варианте исполнения, промежуточный костюм и/или его элементы выполнены из пакета материалов, содержащего наружный слой из покровной ткани, предпочтительно полиэфирной, утеплитель из смешанных волокон синтетического волокна и (или) натуральной шерсти и подкладку из полиэфирной или другой гидрофобной ткани.
В варианте исполнения, костюм верхний и/или его элементы выполнены из пакета материалов, содержащего покровный слой из смесовой ткани хлопка и полиэфира; ветрозащитную ткань из полиэфирных волокон; один слой утеплителя из смешанных волокон синтетического волокна, овечьей или другого вида натуральной шерсти и оленьей шерсти, второй слой утеплителя из овечьей шерсти и полиэфира или без второго слоя и подкладку из полиэфирной или иной гидрофобной ткани.
В варианте исполнения, для промежуточного костюма или утепленного белья, межсезонной верхней одежды, жилета и аксессуаров, утеплитель выполнен с поверхностной плотностью 120-200 г/м2.
2
В варианте исполнения, для верхнего костюма одежды 3-4 и Особого климатических поясов, утеплитель выполнен с поверхностной плотностью 120-400 г/м.
При использовании предложенных технических решений достигается суммарное тепловое сопротивление всего пакета одежды (верхний костюм, жилет, пояс, промежуточный костюм 1, 383 С°м2/Вт=8,92 кло напротив стандартного уровня теплоизоляции, равной 0,92 м2°С/Вт. 6 кло. Но, с другой стороны, альпинисты и строители при испытании предложенного комплекта спецодежды на открытом воздухе при температуре минус 50 С° и шквалистом ветре чувствовали тепловой комфорт, одетые только лишь в промежуточный костюм с теплоизоляцией 0,196 м2°С/Вт=1,26 кло, что еще раз подтверждает, в частности, эффективность утеплителя на основе оленьей шерсти и, в общем, выбранный подход к проектированию одежды данного класса.
Новый вариант утеплителя можно получить промышленным способом за счет применения других компонентов, например, более технологичных синтетических волокон и/или других видов натуральной шерсти, обладающих высокой свойлачиваемостью, чего абсолютно лишена оленья шерсть. Такой подход намного повышает производительность труда и снижает себестоимость утеплителя, повышает качество полотна, делая его более однородной по толщине и поверхностной плотности. При этом, благодаря высокой гигроскопичности оленьей шерсти, утеплитель обладает высокими теплозащитными и физиолого-гигиеническими свойствами, что способствует сохранению теплозащитных свойств изделий в реальных условиях их эксплуатации.
Новый утеплитель обладает гигроскопичностью не менее 10%. Это значительно выше рекомендуемого в стандарте показателя для бельевых материалов, равного не менее 7%. Гигроскопичность для нового утеплителя с оленьей шерстью является главным условием для эффективной защиты одежды от пониженных температур.
Утеплитель на основе оленьей шерсти выполнен состоящим из оленьей шерсти и натурального и (или) синтетического утеплителя. В этом случае смесь утеплителей проявляет синергетический эффект, взаимно дополняя и усиливая их действие друг на друга, с обеспечением высокой теплоизоляции пакета изделия, сохраняющейся в реальных условиях его эксплуатации, и оптимальной гигроскопичности утеплителя.
Предложенный новый вид утеплителя с оленьей шерстью может изготавливаться промышленными способами, что диктует иной подход к использованию оленьей шерсти и расширяет возможности ее использования. В этом случае оленья шерсть смешивается с другими видами волокна натурального или синтетического происхождения таким образом, чтобы в полученном составе смеси из разнообразных волокон оленьей шерсти было не менее 25%. Из полученной смеси изготавливается утепленное полотно любым из существующих видов технологии промышленного производства утеплителей для одежды: термическим, иглопробивным или нитепрошивным.
Варианты утеплителя с оленьей шерстью могут выполняться с разными характеристиками как по поверхностной плотности, так и по толщине, в зависимости от способа крепления, вида, модели, назначения и условий эксплуатации изделия.
2
В варианте исполнения, для промежуточного костюма или утепленного белья, межсезонной верхней одежды, жилета и аксессуаров, утеплитель выполнен с поверхностной плотностью 120-200 г/м.
2
В варианте исполнения, для верхнего костюма одежды 2-4 климатического и Особого климатических поясов, утеплитель выполнен с поверхностной плотностью 120-400 г/м.
Высокие теплоизоляционные свойства предложенного утеплителя достигаются за счет чрезвычайно высокой гигроскопичности оленьей шерсти. Количество влаги, поглощаемой оленьей шерстью из воздуха, измеряется при ее обычных состояниях влажностью в пределах от 15 до 18%, т.е. на каждые 100 кг абсолютно сухой шерсти в обычном ее состоянии при нормальных показателях среды содержится от 15 до 18 кг воды. С увеличением количества влаги в атмосфере влажность шерсти возрастает, достигая в отдельных случаях в атмосфере, насыщенной водяными парами, 30-40% и более.
Используя данное свойство оленьей шерсти аккумулировать влагу, оставаясь на ощупь сухой, а также длительность установления ее сорбционного равновесия, можно значительно повысить теплозащитные свойства одежды и одновременно снизить ее толщину и массу, тем самым повысить эксплуатационные свойства теплозащитного комплекта одежды и снизить его стоимость.
Проведенные испытания показали, что теплоизоляция верхнего костюма, основанная на применении оленьей шерсти, в реальных условиях эксплуатации одежды позволяет сохранить первичные показатели на требуемом уровне, а не ухудшается, как в одежде с другими видами утеплителей.
При традиционном подходе к конструированию спецодежды считается, что главное - чтобы нижний слой вокруг тела был всегда сухим, а чем толще пакет материалов, тем больше инертного воздуха и, за счет этого выше теплоизоляция пакета одежды. При этом повышение влажности внутренних, средних и верхних слоев и пакетов одежды в реальных условиях эксплуатации последней за счет продуктов перспирации при недостаточной гидрофильности материалов не берется во внимание, что иногда катастрофически повышает теплопроводность самой одежды, отчего в реальных условиях эксплуатации теплоизоляция одежды сильно ухудшается относительно ее проектных показателей.
При традиционном проектировании одежды и использовании современных утеплителей, при удалении влаги через гидрофобные материалы нижних слоев пакета часть теплопродукции человека уходит с этой влагой, все последующие слои одежды увлажняются, повышая их теплопроводность, при этом у такой одежды первоначальные показатели теплоизоляции снижаются в 3 и более раз, что значительно ухудшает условия пребывания в ней человека в условиях низких температур.
Предлагается новый подход к проектированию теплозащитной одежды, основанный на аккумуляции продуктов перспирации-пота, содержащегося в пододежном пространстве, за счет высокой гигроскопичности оленьей шерсти в составе утеплителя для утепленного белья - промежуточного костюма, носимого поверх тонкого нательного белья с содержанием натуральных волокон. При этом в комплекте одежды создаются автономные термостатические зоны и дополнительный приграничный слой скрытой теплоты испарения за счет температуры продуктов перспирации человека. В результате сокращаются теплопотери, и, в значительной степени, сохраняются теплоизоляционные свойства пакета материалов, причем на ощупь утепленное белье с оленьей шерстью остается сухим.
Автономные термостатические зоны и дополнительный приграничный слой скрытой теплоты испарения за счет температуры продуктов перспирации человека образуются следующим образом. За счет достаточно длинной продолжительности установления времени сорбционного равновесия оленьей шерсти - до 13 часов, в верхней поверхности каждого слоя утеплителя образуется слой скрытой теплоты испарения: процесс идет очень медленно, т.к. теплый влажный воздух перспирации заполняет микропоры оленьего волоса, выталкивая из них теплый воздух; но, поскольку это происходит очень медленно и длительно, на поверхности утеплителя образуется этот слой скрытой теплоты испарения, что создает термостабильность в слоях одежды, а, благодаря высокой влагоемкости, оленья шерсть впитывает из пододежного пространства влагу, одновременно подсушивая его.
В этом случае покровная ткань (пэ) утепленного белья не увлажняется, и, как следствие, повышается его морозостойкость. При температуре воздуха минус 50°С, покровная ткань из полиэфирных волокон, оставаясь сухой, не грубеет от мороза, в то время, как при общепринятом подходе к проектированию утепленной одежды, как указано выше, морозостойкость тканей из полиэфирных волокон, согласно указаниям разработчиков и производителей, обычно сохраняется до минус 40°С. В результате сокращаются теплопотери, и, в значительной степени, сохраняются теплоизоляционные свойства пакета материалов, причем на ощупь утепленное белье с оленьей шерстью остается сухим.
При наличии верхнего костюма, пакет его материалов остается сухим и сохраняет свои теплозащитные свойства практически неизменными в реальных условиях его эксплуатации, в то время как при традиционном проектировании спецодежды максимальное увлажнение от продуктов перспирации происходит именно на подкладке верхнего костюма. Как указано выше, в условиях эксплуатации это снижает его теплозащитное свойство до 3 и более раз относительно принятых показателей.
Проведенные экспериментальные работы показывают, что, за счет повышения сорбционных свойств утеплителя белья, можно обеспечить комфортную защиту человека при температуре воздуха до минус 67°С, ветре выше 30 м/с и влажности воздуха 85% при меньшем составе, толщине и массе одежды, чем стандартные.
Примеры практического выполнения.
Применение пакета материалов с утеплителем, содержащим оленью шерсть, изготовленным промышленными технологиями, позволяет использовать в качестве покровных и подкладочных материалов облегченные ткани из полиэфирных волокон взамен более тяжелых ворсистых натуральных тканей. Это значительно снижает массу изделий относительно ручного способа применения оленьей шерсти: для верхнего костюма - на 1,6 кг, промежуточного костюма - на 0,8 кг, жилета - на 0,3 кг, пояса - 0,12 кг. В результате снижение массы комплекта одежды составило примерно 37% за счет снижения массы покровных и подкладочных тканей без ухудшения теплоизоляционных свойств пакета путем повышения эффективности использования оленьей шерсти. Как показали результаты проведенных экспериментальных работ и тестирования в реальных условиях эксплуатации, в одежде с новым утеплителем человек может находиться практически неограниченное время, независимо от его физической активности и изменения погодных условий окружающей среды.
Применение предложенных технических решений позволит повысить эффективность использования оленьей шерсти в производстве утеплителя теплозащитной одежды, а именно:
- повысить теплоизоляционные свойства одежды в реальных условиях ее эксплуатации;
- улучшить физиолого-гигиенические свойства изделия за счет снижения влажности пододежного пространства;
- повысить морозостойкость наиболее легких, синтетических тканей для покровного слоя зимней одежды;
- повысить эксплуатационные свойства изделий за счет значительного снижения их массы, прочностных характеристик и себестоимости в результате применения легких, более прочных и недорогих, в сравнении с натуральными материалами, синтетических тканей в покровном слое и подкладке, а также упростить их уход и чистку;
- улучшить качество получаемых полотен утеплителя с оленьей шерстью, их однородность по толщине и поверхностной плотности и снизить миграцию оленьей шерсти наружу ввиду фиксации полотна утеплителя и использования прокладки;
- снизить долевое содержание оленьей шерсти в утеплителе без ухудшения его теплоизоляционных свойств, повысить объем готовой продукции;
- снизить себестоимость получения утеплителя с оленьей шерстью за счет применения промышленных технологий изготовления и недорогих компонентов;
- расширить область применения качественного утеплителя с оленьей шерстью.