Уникальный композиционный материал для защиты от холода разработали ученые Донского государственного технического университета (ДГТУ) совместно с коллегами из Германии. По словам создателей, новый материал позволит производить одежду, которая будет накапливать всем своим объемом тепло, поступающее из окружающей среды и от человека.
Новизна данного исследования заключается в открытии правильного состава материалов, который удовлетворяет требованиям необходимой теплопроводности и не превышает ограничений по толщине одежды. Добавление ПКМ приводит к изменению теплопроводности. Если это приводит к росту проводимости, то требуется увеличение толщины одежды для сохранения теплоизоляции. Увеличивать толщину нежелательно, так как это приводит к снижению эксплуатационных качеств одежды. Следовательно, ограничение толщины приводит к ограничению теплопроводности используемых материалов и доли ПКМ. Определение этой фракции и является целью данной работы.
В настоящее время доступен широкий ассортимент текстильных материалов для изготовления теплозащитной одежды. Основную функцию одежды по защите от холода выполняют объемные волокнистые материалы. Эти материалы обеспечивают термическое сопротивление холоду благодаря своей толщине и внутреннему инертному воздуху, содержащемуся внутри материала. Это пассивная функция теплоизоляционных материалов и одежды. Однако современные технологии создания теплозащитной одежды все больше нацелены на развитие активной функции таких материалов. Эта функция основана на сохранении и последующем использовании внутреннего тепла человека в одежде с использованием дополнительных функциональных компонентов в композитных материалах. В качестве функциональных компонентов таких материалов используются материалы с фазовыми переходами и теплосберегающими свойствами. Добавление теплосберегающих компонентов в объем теплоизоляционных волокнистых материалов изменяет их структуру и свойства, что необходимо учитывать и прогнозировать на этапе проектирования материалов и одежды из таких материалов. Несмотря на наличие научных работ в этой области, большинство из них посвящено физическим и химическим свойствам, а не структуру и физические свойства.
При изготовлении одежды или в строительстве, как объяснили ученые ДГТУ, для повышения термической эффективности материалов применяют вещества со свойствами фазового перехода. Они способны накапливать тепло и быстро его отдавать, изменяя при этом свое фазовое состояние.
Как правило, подобные вещества интегрируют в структуру улучшаемого материала в виде микрокапсул. При разработке термостойкой одежды, по словам ученых, необходимо рассчитать оптимальную структуру и способы размещения активных компонентов в объеме используемых текстильных и полимерных материалов.
«Наш материал одновременно обладает отличными теплоизоляционными свойствами и малым удельным объемом. Это позволит производить одежду для защиты от холода уменьшенной толщины без снижения эксплуатационного качества. Подобные многокомпонентные материалы имеют сложную структуру и теплофизические свойства, требующие непростых исследований, — рассказала аспирант кафедры конструирования, технологии и дизайна Института сферы обслуживания и предпринимательства в городе Шахты Екатерина Лукьянова.
«Теплоаккумулирующие полимерные волокнистые материалы, к которым относится и наша разработка, способны задерживать тепло и отдавать его человеку при охлаждении. Подобные композиционные материалы в качестве основных объемных теплоизоляционных деталей для изготовления верхней зимней одежды пока не применялись», — добавила профессор этой же кафедры Ирина Черунова.
По результатам исследований установлены параметры элементов инкапсулированного текстильного материала Outlast. Эти элементы интегрированы в открытые полости изоляционной ткани Thermofiber. Полученные в результате компоненты материала Thermofiber и ткани Outlast образуют новый сложный материал.
Структура, параметры и свойства сложных тестовых образцов материалов разработаны и представлены с учетом теплых условий (при которых происходят фазовые превращения в инкапсулированном компоненте) и условий охлаждения.
Важным вопросом было установление условий (ограничений) для включения композитных инкапсулированных материалов в сложные материалы для одежды с целью обеспечения рекомендованной толщины и термостойкости одежды. Термическое сопротивление и толщина одежды использовались в настоящей работе в качестве критериев при поиске состава сложного материала. Установлено, что для конструирования и применения защитной одежды от холода (+5° С и ниже) доля представленного теплоаккумулирующего компонента не должна превышать 40%. Такие ограничения были получены в рабочих условиях без учета влажности. Эти ограничения позволили установить основной состав компонентов в представленном сложном материале.
Фактическое тепловое сопротивление и толщина материалов могут быть рассчитаны на основе полученных свойств теплопроводности и прогнозируемой температуры нанесения. Для расширения базы знаний о теплопроводности представленных текстильных композиций полезно продолжить исследования различных условий охлаждения, уровней влажности и плотности.