Развитие научно-методических основ разработки и методов исследования антимикробных и защитных материалов на нетканых волокнистых носителях
На правах рукописи
МИШАКОВ ВИКТОР ЮРЬЕВИЧ
РАЗВИТИЕ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ РАЗРАБОТКИ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ АНТИМИКРОБНЫХ И ЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА НЕТКАНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ НОСИТЕЛЯХ
| Специальность 05.19.01 – Материаловедение производств текстильной и лёгкой промышленности |
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва 2007
Работа выполнена в Московском государственном университете дизайна и технологии на кафедре материаловедения
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Бузов Борис Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Шустов Юрий Александрович
доктор технических наук,
профессор Смирнова Надежда Анатольевна
доктор технических наук,
Бесшапошникова Валентина Иосифовна
Ведущая организация: Ивановская государственная текстильная академия
Защита состоится 23 апреля 2008 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.144.01 при Московском государственном университете дизайна и технологии.
Адрес: 117997, Москва, ул. Садовническая, 33, ауд. 156.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета дизайна и технологии.
Автореферат разослан « » …………… 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета С.Ю.Киселёв
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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
| №№ п/п | Групповые и единичные показатели качества | Относительная значимость единичных показателей качества | Относительная весомость наиболее значимых единичных показателей качества |
| Структурные | |||
| 1 | Сырьевой состав | 0,037 | |
| 2 | Поверхностная плотность | 0,034 | |
| 3 | Толщина | 0,040 | |
| Защитные | |||
| 4 | Проницаемость пыли и аэрозолей | 0,089 | 1,70 |
| 5 | Проницаемость агрессивных растворов | 0,071 | 1,34 |
| 6 | Стойкость к действию агрессивных растворов | 0,072 | 1,37 |
| Физико-механические | |||
| 7 | Разрывная нагрузка при растяжении | 0,053 | 1,01 |
| 8 | Разрывное удлинение при растяжении | 0,048 | |
| 9 | Прочность при раздирании | 0,058 | 1,10 |
| 10 | Прочность швов | 0,054 | 1,02 |
| 11 | Стойкость к истиранию | 0,027 | |
| 12 | Жесткость при изгибе | 0,036 | |
| Гигиенические | |||
| 13 | Воздухопроницаемость | 0,071 | 1,34 |
| 14 | Водопоглощение | 0,037 | |
| 15 | Гигроскопичность | 0,052 | 1,00 |
| 16 | Влагоотдача | 0,041 | |
| 17 | Капиллярность | 0,025 | |
| Эстетические | |||
| 18 | Фактура поверхности | 0,033 | |
| 19 | Цвет | 0,018 | |
| Экономический | |||
| 20 | Стоимость | 0,066 | 1,26 |
| Технологический | |||
| 21 | Технологичность при изготовлении | 0,036 | |
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).
Таблица 2
| Показатель, единицы измерения | Стандарт | Ткань | Трикотаж | Нетканое полотно |
| Эксплуатационные | ||||
1. Усилие при разрыве полоски материала размером 50 200 мм, Н (даН), не менее: - по основе (длине) | ГОСТ 11680–76; ГОСТ 4.3–78; ГОСТ 11518–88; ГОСТ 15968–87; ГОСТ 29298–92; ГОСТ 11209–85 | 177–392 (18–40) | ||
| ГОСТ 7474–88; ГОСТ 28554–90; ГОСТ 28554–90; ГОСТ Р 50720–94 | 90–250 (9–25) | |||
| ГОСТ 19813–74; ГОСТ 14253–83; ГОСТ 4.34–84 | 80–170 (8–17) | |||
| - по утку (ширине) | То же | 137–324 (14–33) | 80–120 (8–12) | 20–130 (2–13) |
| 2. Удлинение при разрыве, %, не менее: - по основе (длине) | »» | 10 | 40–60 | 10–18 |
| - по утку (ширине) | »» | 10 | 70–90 | 20–50 |
| 3. Волокнистый состав, % | »» | Не регламентируется | ||
| 4. Поверхностная плотность, г/м2 | »» | 100–300 | ||
| »» | 170–350 | |||
| »» | 50–100 | |||
| 5. Компоненты деформации, % | Не регламентируется | |||
| Гигиенические | ||||
| 1. Гигроскопичность, %, не менее | ГОСТ 11518–88 | 4–7 | ||
| 2. Водопоглощение, % | ||||
| 3. Воздухопроницаемость, дм3/м2с, не менее | ГОСТ 11518–88 | 150–300 | ||
Продолжение таблицы
| Эстетические | ||
| 1. Цветовое решение, в т. ч. белизна, % | ГОСТ 11680–76; ГОСТ 4.3–78; ГОСТ 11209–85; ГОСТ 15968–87; ГОСТ 11518–88; ГОСТ 29298–92 | 80–82 |
| ГОСТ 7474–88; ГОСТ 28554–90; ГОСТ 28554–90; ГОСТ Р 50720–94 | ||
| ГОСТ 19813–74; ГОСТ 14253–83; ГОСТ 4.34–84 | ||
| 2. Художественно-эстетические показатели, баллы | »» | Соответствие образцам-эталонам |
| Защитный | ||
| 1. Зона задержки роста микроорганизмов,в мм от края образца, не менее | Отраслевая «Методика аттестации конструкционных материалов на микробиологическую устойчивость» | 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 85оС 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 50100 мм находим по зависимости:
, (9)
где 
масса образца размером 50100 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.
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/м2с. 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
| Материал | Гигроскопичность, % | Воздухопроницаемость, дм3/м2с | Поглотительная способность, г/г, (ГОСТ 5556–78) | Влагоёмкость, г/г |
| Гидроструйное нетканое полотно с антимикробным агентом (ТУ 8397-260-00302327–04) | 15,7±0,5 | 643,0±5 | 8,95±0,5 | 10,16±0,5 |
| Ткань (ГОСТ 29298–92) | 12,8±0,5 | 485,0±5 | 6,82 ±0,5 | 8,20±0,5 |
| Термоскреплённое нетканое полотно, дублированное фильерным | 2,2±0,5 | 830,0±5 | – | – |
| Термоскреплённое нетканое полотно фирмы “Кимберли Кларк” (США) | 1,5±0,5 | 178,5±5 | – | – |
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
| Нетканое полотно | Содержание антисептиков, % от массы материала | Зона задержки роста микроорганизмов от края образца, мм | ||
| S. aureus | E. coli | C. albicans | ||
| Гидроструйное нетканое полотно с антимикробным агентом (ТУ 8397-260-00302327–04) | Катамин АБ – 0,8 Йодид калия – 0,5 | 2–10 | 2–3 | 2 |
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
1. Развито новое перспективное научное направление по разработке и исследованию текстильных волокнистых нетканых материалов для специальной одежды, защищающей от биологически активных сред и последствий техногенных катастроф. Определены пути и направления исследования.
2. Разработана концепция создания антимикробных и защитных материалов на нетканых волокнистых носителях.
3. Установлены требования и предложена номенклатура показателей качества нетканых волокнистых материалов для специальных изделий, защищающих от биологически активных сред и последствий техногенных катастроф.
4. На основе анализа современного ассортимента волокнистых материалов, обладающих комплексом синергических свойств, в том числе наносистем, разработаны комбинированные технологии изготовления, предложены новые структуры и волокнистые составы нетканых материалов с заданными свойствами для специальных видов изделий, научная новизна которых подтверждена пятью патентами РФ.
5. Установлены механизмы действия антимикробных препаратов на волокнистых носителях и разработаны новые комплексы антимикробных препаратов, обладающих синергическим эффектом пролонгируемого действия, научная новизна которых подтверждена патентом РФ.
6. Разработаны способы модифицирования волокнистых текстильных рулонных материалов биологически активными комплексами, в том числе наноразмерными.
7. Предложен ряд патентоспособных методов и средств по исследованию свойств нетканых материалов, оценки их качества и безопасности, научная новизна которых подтверждена четырьмя патентами РФ.
Сконструированы, изготовлены и применены в исследованиях новые методы и средства испытаний:
– устройство и методика для определения защитной эффективности волокнистых материалов в условиях загрязнения окружающей среды радиационными и биологически опасными пылью и аэрозолями;
– устройство и методика для определения двухсторонней влагосорбционной способности текстильных материалов.
Применены в исследованиях современные диагностические методы:
– лазерно-искровой спектроскопии для установления наличия наноразмерных ионов серебра и других веществ в структуре нетканых текстильных полотен;
– атомно-силовой микроскопии для подтверждения наличия наноразмерных частиц бактерицидных препаратов и установления их размерности.
8. Предложена методика изучения микромеханики разрушения нетканых волокнистых материалов, полученных способами: иглопробивным, гидроструйным и термоскреплением. Раскрыты механизмы и факторы, определяющие прочностные свойства волокнистых материалов и получена математическая модель, описывающая процесс их разрушения.
9. Дано теоретическое и экспериментальное обоснование связи релаксации напряжения волокнистых материалов при фиксированной деформации с параметрами его вынужденных поперечных колебаний. Предложена методика оценки процесса релаксации напряжения косвенным методом, посредством измерения параметров колебаний металлической пластины, скреплённой с исследуемым образцом.
Разработана математическая модель свободных колебаний неоднородной пластины, характеризующая релаксацию напряжения текстильного волокнистого материала при его заданной постоянной деформации.
10. 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 прочности, вязкоупругости, гигиеничности и антимикробной активности нетканых волокнистых материалов.
11. Разработаны и утверждены технические условия на новые нетканые материалы:
– ТУ 412-795–89 нетканое иглопробивное с термоскреплением полотно для СпКИ;
– ТУ 8397-260-00302327–04 нетканое гидроскреплённого антимикробное комбинированное полотно для одежды медицинского назначения;
– ТУ 8397-277-00302327–06 нетканое иглопробивное с термоскреплением полотно с повышенными защитными свойствами, обусловленными применением элементов нанотехнологий.
12. Даны рекомендации по использованию новых разработанных нетканых материалов для различных видов специальной одежды.
13. Практическое использование разработанных нетканых волокнистых материалов и средств индивидуальной защиты осуществлено на ряде ведущих предприятиях отрасли и получены положительные отзывы.
Основные публикации по теме диссертации
1. Мишаков В.Ю., Рубцов В.И., Бузов Б.А. Разработка номенклатуры показателей качества материалов для спецодежды краткосрочного пользования, защищающей от радиоактивных веществ. – Ж. Известия ВУЗов. Технология лёгкой промышленности, 1989, № 4. – С. 39–41.
2. Мишаков В.Ю., Архипов О.А., Заметта Б.В. и др. Разработка и выбор материала для спецодежды краткосрочного использования. – Сб. научных трудов. Медико-технические проблемы индивидуальной защиты человека. Теория и практика совершенствования индивидуальной защиты человека в неблагоприятных условиях. – М.: ВЦМК «Защита», 1989. – С. 166–170.
3. Мишаков В.Ю., Хухрева И.И., Рубцов В.И., Бузов Б.А. Разработка и выбор материала для спецодежды краткосрочного использования. – В сб.: Медико-технические проблемы индивидуальной защиты человека. Теория и практика совершенствования индивидуальной защиты работающих в неблагоприятных условиях. – Сб. научных работ ИБФ МЗ СССР. – М.: ИБФ МЗ СССР, 1989. – С. 166–169.
4. Мишаков В.Ю., Рубцов В.И., Бузов Б.А. Нетканый материал для спецодежды. – Сб. "Совершенствование техники и технологии производства лёгкой промышленности" / Сб. научных трудов МТИЛП – М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1990. – С. 107–109.
5. Мишаков В.Ю., Рубцов В.И., Бузов Б.А. и др. Нетканый материал для спецодежды. – Сб. "Совершенствование техники и технологии производства лёгкой промышленности" / Сб. научных трудов МТИЛП. – М.: ЦНИИТЭИЛегпром, 1990. – С. 107–109.
6. Мишаков В.Ю., Рубцов В.И., Бузов Б.А., Малыхина Н.В. Оценка влагосорбционных свойств нетканых полотен для СпКИ. – Ж. Известия ВУЗов. Технология лёгкой промышленности, 1991, № 3. – С. 34–37.
7. Бузов Б.А., Мишаков В.Ю., Рубцов В.И., Бабанская Е.А. Метод оценки защитной эффективности материалов спецодежды от аэрозольного загрязнения. – Ж. Известия ВУЗов. Технология лёгкой промышленности, 1991, № 5. – С. 2–5.
8. Мишаков В.Ю., Малыхина Н.М., Рубцов В.И., Бузов Б.А. Влияние состава и влажности нетканого полотна на его воздухопроницаемость. – Ж. Известия ВУЗов. Технология лёгкой промышленности, 1991, № 3. – С. 17–19.
9. Мишаков В.Ю., Бузов Б.А. Формоустойчивость нетканых полотен. – Сб. "Формование и формоустойчивость материалов и изделий лёгкой промышленности" / Сб. научных трудов МГАЛП. – М.: МГАЛП, 1996. – С. 114–116.
10. Мишаков В.Ю., Бузов Б.А. Исследование жесткости иглопробивных нетканых полотен различного волокнистого состава. – Сб. "Формование и формоустойчивость материалов и изделий лёгкой промышленности" / Сб. научных трудов МГАЛП. – М.: МГАЛП, 1996. – С. 117–118.
11. Мишаков В.Ю., Бузов Б.А., Требухин А.Б. Получение нетканого полотна повышенной прочности по гидроструйной технологии для медицинских изделий краткосрочного пользования. – Сб. "Формование и формоустойчивость материалов и изделий лёгкой промышленности" / Сб. научных трудов МГАЛП. – М.: МГАЛП, 1996. – С. 119–124.
12. Мишаков В.Ю., Бузов Б.А. Новый нетканый утепляющий материал. – Ж. Текстильная промышленность, 1999, № 5-6. – С. 36.
13. Мишаков В.Ю., Макарова Н.А., Бузов Б.А., Заметта Б.В. Современные антимикробные материалы на текстильных носителях. – Ж. Текстильная промышленность, 2002, № 2. – С. 32–33.
14. Мишаков В.Ю., Бузов Б.А., Заметта Б.В. Новый утепляющий материал для одежды. – Ж. Швейная промышленность, 2002, № 4. – С. 37–38.
15. Макарова Н.А., Мишаков В.Ю., Бузов Б.А., Заметта Б.В., Гончаров С.Ф., Седов А.В. Антимикробная устойчивость нетканых полотен к мокрым обработкам. – Ж. Текстильная промышленность, 2002, № 10. – С. 30–32.
16. Мишаков В.Ю., Макарова Н.А., Бузов Б.А. Антимикробное нетканое полотно, обработанное препаратом катамин АБ + йодистый калий. – Ж. Технический текстиль, 2003, № 5. – С. 29–32.
17. Макарова Н.А., Бузов Б.А., Мишаков В.Ю. Текстиль против микробов. Номенклатура и качество носителей антимикробных препаратов. – Ж. Текстильная промышленность, 2003, № 6. – С. 20–21.
18. Макарова Н.А., Бузов Б.А., Мишаков В.Ю. Основные показатели качества текстильных антимикробных материалов медицинского назначения. – Ж. Технический текстиль, № 8, 2003. – С. 38–40.
19. Мишаков В.Ю., Сталевич. А.М., Голубев М.И. Качество нетканых полимерных материалов. – Ж. ЛегПром бизнес, 2003, № 11. – С. 20.
20. Мишаков В.Ю., Макарова Н.А. Деформационная способность нетканых текстильных носителей антимикробных нетканых материалов. / Вестник МГУДТ, выпуск 1(43). – М: ИИЦ МГУДТ, 2003. – С. 194–202.
21. Бузов Б.А., Мишаков В.Ю., Макарова Н.А., Замета Б.В. Разработка и исследование антимикробных медицинских материалов на нетканых носителях. – Ж. Перспективные материалы, 2004, № 4. – С. 58–63.
22. Мишаков В.Ю., Макарова Н.А., Сталевич А.М., Слуцкер Г.Я. Наследственная вязкоупругость нетканых материалов. – Сб. научных трудов. – Тверь: Тверской Государственный университет, 2004, вып. 10. – С. 113–115.
23. Мишаков В.Ю., Макарова Н.А., Сталевич А.М. Деформационные свойства нетканых полотен медицинского назначения. – Ж. Материаловедение, 2004, № 5. – С. 43–48.
24. Мишаков В.Ю., Макарова Н.А., Сталевич А.М. Времена релаксации и запаздывания у нетканых материалов. – Ж. Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 2004, № 4. – С. 52–55.
25. Железняков А.С., Кудряшов О.И., Мишаков В.Ю. К вопросу исследований НДС мягких композитов посредством колебаний. – Ж. Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 2004, № 2. – С. 85–91.
26. Суслова М.Б., Железняков А.С., Мишаков В.Ю. О методе исследований релаксации напряжений материалов при постоянной деформации. – Сб. статей Межд. научн. конф. «Актуальные проблемы науки, техники и экономики производства изделий из кожи». – Витебск: УО «ВГТУ», 2004. – С. 239–242.
27. Беличенко К.К., Железняков А.С., Мишаков В.Ю. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния мягких композитов посредством механических колебаний. – Ж. Материаловедение, 2004, № 10. – С. 19–23.
28. Бузов Б.А., Мишаков В.Ю., Жихарев А.П., Белгородский В.С., Баранов В.Д., Заметта Б.В. Нанонаука и нанотехнология в производстве и материаловедении волокнистых материалов и изделий. – Ж. Швейная промышленность, 2006, № 4. – С. 46–48.
29. Мишаков В.Ю., Заметта Б.В. Статистическое исследование микромеханики разрушения нетканых материалов из термопластических волокон при одноосном растяжении – Ж. Швейная промышленность, 2007, № 1. – С. 54–56.
30. Бузов Б.А., Жихарев А.П., Мишаков В.Ю., Белгородский В.С., Баранов В.Д. Наноматериалы и их применение в производстве антимикробных материалов на волокнистых носителях. – Ж. Швейная промышленность, 2007, № 3. – С. 35–39.
31. Мишаков В.Ю. Исследование содержания нанокластеров в образцах нетканых полотен с помощью лазерно-искровой экспресс-методики. – Ж. Швейная промышленность, 2007, № 2. – С. 47–50.
32. Мишаков В.Ю. Исследование волокнистых материалов модифицированных наноразмерными биологически активными препаратами методом сканирующей микроскопии. – Ж. Швейная промышленность, 2007, № 4. – С. 54–57.
33. Авторское свидетельство СССР № 1586290 от 15.04.90 г. Нетканый материал.
34. Патент РФ № 2136794 от 10.09.99 г. Нетканый утепляющий материал.
35. Патент РФ №2159825 от 27.11.2000 г. Текстильный материал для одежды и защитная медицинская одежда краткосрочного пользования из этого материала.
36. Патент РФ № 2178029 от 10.01.2002 г. Состав для придания антимикробных свойств текстильным материалам.
37. Патент РФ № 2263302 от 27.10.2004 г. Устройство для определения впитываемости жидкости поверхностью волокнистых текстильных материалов.
38. Патент РФ 2251094 № 2251094 от 27.04.2005 г. Устройство для испытания волокнистых материалов на растяжение.
39. Патент РФ № 2255323 от 27.06.2005 г. Устройство для испытания нитей на растяжение.
40. Патент РФ № 2265214 от 27.11.2005 г. Способ измерения релаксации напряжения мягких композитов.
41. Патент РФ на полезную модель № 61294 от 27.02.2007 г. Текстильный материал для одежды и защитная медицинская одежда краткосрочного пользования из этого материала.
42. Решение о выдаче патента РФ на изобретение от 06.11.2007 г. Способ изготовления нетканого материала с заданными биоцидными свойствами.
МИШАКОВ ВИКТОР ЮРЬЕВИЧ
Развитие научно-методических основ разработки
и методов исследования антимикробных и защитных материалов
на нетканых волокнистых материалах
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени доктора технических наук
Усл.-печ. 2,0 п.л. Тираж 80 экз. Заказ №________
Информационно-издательский центр МГУДТ
117997, г. Москва, ул. Садовническая, 33
Отпечатано в ИИЦ МГУДТ
