Київський національний університет технологій та дизайну

Ковтун Світлана Іванівна

УДК 677.075:620.17

Розробка та дослідження текстильних композиційних

матеріалів для виробів медичного призначення

Спеціальність 05.02.01 – матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті технологій та дизайну,

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: |

доктор технічних наук, доцент

Супрун Наталія Петрівна,

Київський національний університет технологій та дизайну, доцент кафедри матеріалознавства та

технології переробки текстильних волокон

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Мичко Анатолій Андрійович,

Східноукраїнський національний університет

ім. Володимира Даля,

професор кафедри легкої та харчової промисловості,

м. Луганськ

кандидат технічних наук, доцент

Вілков Сергій Михайлович,

Українська інженерно-педагогічна академія,

приват-професор кафедри технології легкої

промисловості, м. Харків

Провідна установа: |

Хмельницький національний університет

Міністерства освіти і науки України, м. Хмельницький

Захист відбудеться 07.06.2007 р. о __14_____годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.102.03 Київського національного університету

технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ - 11, вул. Немировича-Данченка, 2.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного

університету технологій та дизайну за адресою:

01011, м. Київ - 11, вул. Немировича-Данченка, 2.

Автореферат розісланий 04.05.2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор Панасюк І.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Технічний текстиль за останні роки набув широкого використання у виробах спеціального призначення. Основна задача, що вирішується при створенні технічного текстилю – забезпечення необхідного комплексу властивостей в залежності від виду виробу. В зв’язку з цим в останні п’ять-сім років сформувався новий підхід у розробці текстильних матеріалів технічного призначення – створення поліфункціональних матеріалів. При проектуванні поліфункціонального технічного текстилю доводиться вирішувати проблему поєднання в одному матеріалі декількох необхідних властивостей, іноді – протилежних. Можливість вирішення цієї задачі залежить від раціонального сполучення властивостей вихідної сировини, параметрів будови текстильних матеріалів та технології їх виготовлення. Одним з шляхів вирішення таких компромісних задач може бути створення багатошарових текстильних композиційних матеріалів (ТКМ) шляхом з’єднання (нашарування) окремих текстильних продуктів з різними властивостями в одну структуру. Цей спосіб дає можливість використати переваги кожного з компонентів і надає принципову можливість варіювати властивості технічних матеріалів в досить широких межах. Поліфункціональні текстильні композиційні матеріали можуть знайти кваліфіковане застосування в різних галузях. Однією з таких сфер застосування є медичні вироби, наприклад, простирадла, призначені для догляду за лежачими хворими, операційний текстиль та інші вироби.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у рамках науково-дослідної роботи “Теоретичні основи створення поліфункціональних біотекстильних матеріалів та виробів на їх основі” (держбюджетна тематика 6.25 ДБ відповідно до плану НДР Міністерства освіти і науки України, ДР №0103U000850) та науково-технічної роботи “Дослідження, розробка, конструювання та виробництво нових типів багатофункціональних плетених і тканих текстильних матеріалів та одягу із застосуванням новітніх сучасних технологій” (міжнародна програма “MULFUNC E! – 3191”, договір № М/81-2004 від 05.05.2004р. ДР №0104U009798), які виконувалися в КНУТД протягом 2003–2006 років.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розробка поліфункціональних текстильних композиційних матеріалів з прогнозованими властивостями для виробів медичного призначення.

Для досягнення мети були поставлені такі задачі:

- сформулювати номенклатуру вимог та показників якості до поліфункціональних ТКМ для виробів медичного призначення на прикладі простирадл для догляду за лежачими хворими;

- сформулювати принципи конструювання поліфункціональних ТКМ з прогнозованою здатністю до поглинання, перенесення та акумулювання води;

- створити базу даних фізичних властивостей вихідних текстильних матеріалів (ТМ) як основи для вибору полотен для функціональних шарів ТКМ;

- встановити залежність фізичних властивостей поліфункціональних ТКМ від відповідних властивостей вихідних полотен, що входять до складу багатошарових структур, з метою прогнозування їх властивостей;

- розробити рекомендації щодо складу та структури багатошарових ТКМ, що забезпечують комплекс заданих властивостей (ефективне відведення та локалізація продуктів метаболізму тіла людини, забезпечення сухості шкіри, антимікробної дії) при використанні їх у виробах медичного призначення;

- встановити вплив умов експлуатації на властивості багатошарових ТКМ медичного призначення.

Об’єкт дослідження – процес підвищення гігієнічних властивостей технічних текстильних матеріалів у медичних виробах багаторазового використання.

Предмет дослідження – створення текстильних композиційних матеріалів методом термосклеювання для виробів медичного призначення.

Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження базуються на основних положеннях матеріалознавства товарів легкої промисловості. При проведенні експериментальних досліджень використані сучасні методи визначення фізичних властивостей ТМ та багатошарових ТКМ, а також методи математичного планування і статистичної обробки результатів експерименту. Обробка експериментальних даних проводилась на ПК з використанням програм Microsoft Excel, Statistica, SoftWare 5.3 та Star.

Наукова новизна. Наукова новизна одержаних результатів полягає в обґрунтуванні методу одержання поліфункціональних багатошарових ТКМ для забезпечення необхідного рівня гігієнічних властивостей виробів медичного призначення. Вперше отримані такі наукові результати:

- розроблені методологічні основи створення поліфункціональних текстильних композиційних матеріалів медичного призначення;

- розроблені фізичні основи класифікації текстильних матеріалів для створення багатошарових поліфункціональних текстильних композиційних матеріалів;

- встановлені емпіричні залежності між гігроскопічними та водовбиральними властивостями текстильних композиційних матеріалів та властивостями використаних в них вихідних полотен, що дозволило прогнозувати відповідні показники для багатошарових структур на стадії їх проектування;

- доведена можливість використання експонентного рівняння для описання кінетики процесу водовбиранння багатошаровими текстильними композиційними матеріалами при їх горизонтальному розміщенні відносно дзеркала води.

Практичне значення одержаних результатів:

- створена база даних фізичних властивостей сучасних текстильних матеріалів різного сировинного складу та структури;

- розроблена структура та запропонований склад багатошарових текстильних композиційних матеріалів, які забезпечують ефективне відведення та локалізацію продуктів метаболізму тіла людини, вологопровідні та водовідштовхувальні властивості (новизна підтверджена патентом України на корисну модель);

- визначені оптимальні параметри процесу одержання багатошарових текстильних композиційних матеріалів методом термосклеювання на промислових пресах прохідного типу (RPS-C 1400 фірми “Mayer”, ФРН), що дає можливість отримати вихідні дані для технологічного регламенту одержання полотен у виробничих умовах;

- запропонований асортимент поліфункціональних текстильних композиційних матеріалів, який дозволяє розширити сировинну базу для виробництва виробів медичного призначення, зокрема постільної білизни для людей з різними формами нетримання сечі.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем самостійно виконані обґрунтування теми дисертаційної роботи, здійснено планування експериментів, теоретичні і експериментальні дослідження, їх математична обробка, зроблені узагальнення результатів, висновки та рекомендації, підготовка дисертаційної роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися, обговорювалися та отримали позитивну оцінку на наукових конференціях молодих вчених та студентів Київського національного університету технологій та дизайну (2003–2006 р.р.), на науково-практичній конференції “Соціально-культурна реабілітація інвалідів в Україні: аналіз, проблеми та шляхи вирішення” (м. Київ, 2003 р.), на міжнародних науково-практичних та науково-технічних конференціях: “Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины” (м. Херсон, 2004 р.), “Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности – ПРОГРЕСС-2005” (м. Іваново, Росія, 2005 р.), “Інноваційні технології – майбутнє України” (м. Київ, 2005 р.), “Новые высокоэффективные нетканые материалы для защиты человека и окружающей среды от техногенных воздействий” (м. Серпухов, Росія, 2005 р.), “Textile Future of our Life Spheres” (м. Дрезден, Німеччина, 2006 р.), “Механіка та інформатика” (м. Хмельницький, 2006 р.) та на міжкафедральному науковому семінарі КНУТД (Київ, 2006).

На ІV конкурсі науково-технічних проектів молодих вчених “Інтелектуальний потенціал молодих вчених – місту Києву” 2004р. під егідою Київської міської державної адміністрації робота “Розробка багатошарових бар’єрних текстильних матеріалів медичного призначення та виробів з них” була відмічена дипломом. На Х конкурсі бізнес-планів підприємницької діяльності серед молоді м. Києва 2005р., який проводився Київською міською державною адміністрацією (Головне управління у справах сім`ї та молоді та Київський молодіжний центр праці), робота “Барви життя – знедоленим” зайняла 2 місце.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 15 робіт: 5 наукових статей у фахових журналах, рекомендованих ВАК України, 1 патент України на корисну модель, 2 статті у зарубіжних виданнях та наукових журналах (Росія, Словаччина), та 7 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура дисертації. Дисертація подана на 218 сторінках друкованого тексту і складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел (158 найменувань) та 7 додатків. Дисертація містить 26 таблиць та 35 рисунків. Обсяг основної частини дисертації складає 149 сторінок.

Автор висловлює вдячність науковому керівникові д.т.н., доценту Н.П.Супрун, д.т.н., професору М.П. Березненко, к.т.н., старшому науковому співробітнику В.І. Власенко за допомогу у постановці наукових досліджень та критичному обговоренні результатів.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, подано короткий аналіз стану проблеми, визначено мету, основні задачі, об’єкти і предмети досліджень, сформульовано наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів та висновків.

Перший розділ присвячено огляду та детальному аналізу вітчизняної і зарубіжної наукової літератури, яка розкриває сучасний стан розробок, досліджень та виробництва поліфункціональних текстильних матеріалів медичного призначення.

Розглянуті основні проблеми, які потребують вирішення, пов’язані з використанням медичного текстилю у виробах для догляду за лежачими хворими та під час хірургічних операцій. Виявлено, що традиційні текстильні матеріали (ТМ) не можуть в повній мірі задовольнити деяким суперечливим вимогам, які висуваються до виробів медичного призначення. Одним зі шляхів вирішення компромісних задач є створення поліфункціональних текстильних композиційних матеріалів (ТКМ), які завдяки своїй будові та складу, можуть забезпечити належні умови догляду за хворими. В роботі представлені наукові та практичні досягнення в сфері створення поліфункціональних ТКМ, проведено аналіз переваг та недоліків існуючих методів та засобів їх одержання. Одним з перспективних методів одержання поліфункціонального текстилю є метод нашарування окремих текстильних продуктів та з'єднання їх в єдину композиційну структуру різними способами. Розглянута можливість застосування термоклейового методу одержання ТКМ медичного призначення, при якому вихідні полотна з’єднуються між собою в певній послідовності за допомогою матеріалів з двосторонньою клейовою здатністю.

Аналіз науково-технічної літератури з вивчення гігієнічних властивостей ТМ показав, що існуючі стандартизовані показники, які адекватно описують гігієнічні властивості одношарових ТМ, в ряді випадків є недостатньо інформативними при створенні багатошарових ТКМ, які складаються з шарів різного сировинного складу, і, відповідно, мають різні фізичні властивості. Встановлено, що використання альтернативних методів оцінки гігієнічних властивостей ТМ дозволяє характеризувати якісний бік процесу перенесення вологи (рідини) в багатошарових ТКМ. У зв’язку з цим при дослідженні багатошарових ТКМ доцільно використовувати як стандартизовані, так і альтернативні методи, що дає можливість одержувати повніші дані про фізичні процеси, які відбуваються в ТКМ при контакті з людиною. В кінцевому рахунку, це дозволить оцінити доцільність та ефективність використання полотен, що розробляються, у виробах для догляду за лежачими хворими та в інших текстильних виробах медичного призначення.

Таким чином, проведений аналіз наукової літератури дозволив поставити мету і визначити об’єкт, предмет та задачі досліджень дисертаційної роботи.

У другому розділі викладені методологічні основи створення поліфункціональних ТКМ медичного призначення. В роботі запропонований загальний алгоритм проектування ТКМ з комплексом заданих споживчих та технологічних властивостей. Згідно з алгоритмом, проектування доцільно здійснювати в такій послідовності:

1. Визначення основної та додаткових функцій виробу.

2. Формулювання номенклатури вимог до виробу та номенклатури показників якості поліфункціональних ТКМ.

3. Створення та використання наявної бази даних структурних, фізичних, механічних та фізико-хімічних властивостей ТМ, яка дозволяє вибрати вихідні полотна, показники якості яких потенційно можуть забезпечити інтегровані вимоги до композиційного матеріалу в цілому.

4. Вибір способу з’єднання вихідних полотен в багатошарові ТКМ.

5. Розрахунок значень основних показників якості створюваних багатошарових структур з метою прогнозування функціональних властивостей композиційних матеріалів.

6. Визначення варіантів раціонального розташування вихідних ТМ в функціональних шарах композиційного полотна.

7. Одержання експериментальних зразків поліфункціональних ТКМ, вивчення їх властивостей та, при необхідності, коригування їх структури (складу і взаємного розташування функціональних шарів).

8. Випробування експериментальних зразків багатошарових ТКМ у виробах у реальних умовах експлуатації та визначення доцільності використання сконструйованих ТКМ у виробах певного призначення.

Номенклатура вимог до лікарняних простирадл та інших виробів для догляду за лежачими хворими визначалася експертним методом за ГОСТ 23554.1 (20 експертів-лікарів зі стажем роботи більше 5 років). Значення коефіцієнту конкордації (W=0,87) свідчить про високий рівень узгодженості думок експертів, оскільки табличне значення 2-критерія Пірсона менше розрахункового (2Т=18,3 < 2Р=174,0). Найвагомішими з 11 наведених для розгляду вимог експертами були визначені: здатність швидко вбирати фізіологічні рідини; здатність утримувати фізіологічні рідини в об’ємі виробу; приємність поверхні при дотику; відсутність промокання виробу; стабільність структури та зовнішнього вигляду виробу в процесі експлуатації. Серед інших розглянутих властивостей відзначені як бажані гіпоалергенність, антимікробність, антистатичність тощо.

Зроблений висновок, що для відповідності функціональному призначенню та задоволення основних вимог споживачів створювані ТКМ повинні мати:

- верхній шар, який безпосередньо контактує зі шкірою людини – цей шар має забезпечити швидке поглинання вологи від тіла людини з мінімальним розтіканням по поверхні, її швидке переміщення до наступного внутрішнього шару багатошарового полотна. Додатковими вимогами до верхнього шару є збереження сухості поверхні, гіпоалергенність, антимікробність та приємність на дотик.

- внутрішні шари (не менше 2-х) багатошарового ТКМ повинні швидко ввібрати пари вологи та рідину, які надійшли від верхнього шару, забезпечити поступовий перерозподіл води по поверхні та в об’ємі за рахунок капілярних сил, частково акумулювати її в своїй структурі і передати до наступного шару. При цьому необхідно забезпечити утримання рідини без зворотного витікання під дією тіла людини. Як правило, внутрішній об’єм має нараховувати декілька шарів ТМ для забезпечення необхідного рівня водовбирання та послідовного перерозподілу води по поверхні функціональних шарів і перенесення рідини від попереднього шару до наступних. Додатковою вимогою до внутрішніх шарів також є антимікробність.

- бар’єрний шар. До текстилю цього шару обов’язковими є дві вимоги: водотривкість та високі механічні властивості, які забезпечують стабільність водовідштовхувальних обробок ТМ при дії на нього багатоциклових фізико-механічних факторів під час експлуатації (навантаження від тіла людини, прання, сушка, прасування тощо).

З метою встановлення основних фізичних та механічних факторів, що діють на ТКМ, було проаналізовано умови експлуатації лікарняних простирадл для догляду за лежачими хворими. Встановлено, що основними факторами є продукти життєдіяльності організму та фізіологічні рідини: піт та жир, сеча, теплопродукція та тиск тіла людини. Сумісна дія цих факторів спричиняє погіршення мікроклімату між шкірою людини та предметами постільної білизни, де відносна вологість повітря наближається до 100%, а температура складає близько 25 ч 270С.

За розробленою в роботі методикою вперше було визначено тиск, з яким тіло лежачої людини діє на предмети постільної білизни в положенні “лежачи на спині” та “лежачи на боку”. В експерименті приймали участь 40 осіб: 20 – чоловіки віком 20 ч 55 років, зростом 170 ч 185 см та вагою 60 ч 120 кг; 20 – жінки віком 20 ч 55 років, зростом 160 ч 175 см, вагою 45 ч 100 кг. Встановлено, що найбільше значення тиску біля 5000 ч 6000 Па, досягається в зоні ділянки тіла людини “стегно/сідниці – горизонтальна поверхня”.

На основі вимог, які висуваються до виробів та умов їх експлуатації, була визначена номенклатура показників якості багатошарових ТКМ. Дослідження ТКМ за встановленими показниками дозволило визначити їх раціональний склад та ефективність використання у виробах для догляду за лежачими хворими.

У третьому розділі обґрунтовано вибір об’єкту та предмету досліджень, представлена характеристика засобів та методів визначення показників гігієнічних властивостей текстильних матеріалів та багатошарових ТКМ.

Як вихідні текстильні полотна для функціональних шарів багатошарових ТКМ були використані 26 сучасних текстильних матеріалів різних країн-виробників (Україна, Польща, Чеська республіка, Голландія, Корея, Китай, Велика Британія, США), які на сьогодні виробляються та доступні на світовому ринку ТМ. В їх число входили матеріали різного способу виробництва (тканини, трикотажні та неткані полотна), з натуральних волокон (бавовняні, змішані бавовняні, напівлляні), з хімічних волокон і ниток (віскозні, поліефірні, поліпропіленові, поліоксіметиленові). Вихідні полотна відрізнялися за структурними характеристиками: переплетенням, поверхневою густиною (Ms = 90 ч 380 г/м2), товщиною (h = 0,14 ч 1,55 мм) та щільністю ткацтва або в’язання (кількість структурних елементів дорівнювала 80 ч 800 одиниць/100мм).

Як з’єднувальні елементи в багатошарових текстильних структурах були використані два види клейових матеріалів. Перший вид – основов’язане трикотажне полотно з двосторонньою клейовою здатністю, в структуру якого включена клейова низькоплавка поліетиленова нитка (температура плавлення нитки 127 ч 1300С), яка згідно заправочного малюнку виходить на обидві поверхні полотна (виготовлений за технологією КНУТД (патент України 13991)). Другий вид – тонка сітка з двосторонньою клейовою здатністю з термопластичного полімеру – сополімеру етилену та вінілацетату виробництва фірми Bostik Findley (Велика Британія), фірмова назва “Sharnet 3616” (рекомендована температура склеювання 115 ч 1500С).

Наведені методики дослідження властивостей вихідних ТМ та багатошарових ТКМ, згідно з діючими ДСТУ та ГОСТ (табл.1). В розділі також наведені нестандартизовані, спеціально розроблені, або удосконалені нами методики визначення показників якості: площа розтікання води по поверхні матеріалу S, мм2; час висихання фв, хв; коефіцієнт водомісткості багатошарових ТКМ при їх горизонтальному розташуванні без тиску та під тиском Вєг, г/м2.

Міцність клейових з’єднань шарів в багатошарових ТКМ визначалася за показником відносного розшаровувального зусилля (Рр, Н/см) на приладі СРМ-1 методом рівномірного розшарування (ГОСТ 28832–90).

У четвертому розділі проведене дослідження властивостей вихідних ТМ за переліком визначених показників, що дало змогу створити базу даних їх фізичних властивостей (табл.1).

Таблиця 1

Показники фізичних властивостей вихідних текстильних матеріалів

№ | Найменування показника, одиниці вимірювання,

методики дослідження | Інтервал значень для 26 досліджених ТМ

1 | Кондиційна вологість, Wк, % (ГОСТ 3816–81 (ІСО 811–81)) | 0,2 ч 8,8

2 | Гігроскопічність, Н, % (ГОСТ 3816–81 (ІСО 811–81)) | 0,6 ч 21,5

3 | Крайовий кут змочування, , град (вимірювальна система SEE System, Чеська республіка) | 39 ч 130

4 | Час до повного зникнення краплі, ф, с (SEE System) | 0,2 ч більше 600

5 | Капілярність, К, мм (ГОСТ 3816–81 (ІСО 811–81)) | 0 ч 200

6 | Площа розтікання води по горизонтальній поверхні ТМ, S, мм2 | 0 ч 8990

7 | Водовбиральність, Пв, % (ГОСТ 3816–81 (ІСО 811–81)) | 0 ч 570

8 | Коефіцієнт водомісткості, Вє, г/м2 (ГОСТ 3816–81 (ІСО 811–81)) | 0 ч 1060

9 | Час висихання, ф, хв | 10 ч 50

10 | Водотривкість, Втр, Па (ГОСТ 3816–81 (ІСО 811–81)) | 0 ч 4900

11 | Водопромоклість в статичних умовах, Wс, год (ГОСТ 938.21–71) | 0 ч більше 3

12 | Водопромоклість в динамічних умовах, Wд, хв (ГОСТ 938.22–71) | 0 ч 105

13 | Водопроникність в динамічних умовах, Uд, г/м2·год

(ГОСТ 938.22–71) | 0 ч 770

14 | Коефіцієнт теплового поглинання, b, Втс1/2/м2К

(прилад “ALAMBETA” (Чеська республіка)) | 94 ч 250

15 | Коефіцієнт теплопровідності, , Вт/(мК) (ALAMBETA) | 22,210-3 ч 77,910-3

16 | Коефіцієнт температуропровідності, a, м2/с (ALAMBETA) | 0,0210-6 ч 0,2910-6

17 | Тепловий опір, R, К м 2/ Вт (ALAMBETA) | 4,810-3 ч 30,510-3

Дослідження гігроскопічних показників вихідних ТМ (кондиційна вологість та гігроскопічність) показали, що на їхню здатність поглинати пари води, в першу чергу, впливає сировинний склад полотен. Разом з тим встановлено, що визначальними для характеристики процесу переміщення води в структурі ТКМ є не гігроскопічні показники вихідних ТМ, а їх здатність поглинати, віддавати, перерозподіляти та накопичувати воду. До цих показників відносяться: водовбиральність, коефіцієнт водомісткості, вологовіддача, час висихання, капілярність та площа розтікання води по поверхні тощо.

Зіставлення капілярних властивостей ТМ, які оцінювалися за двома методиками – при їх вертикальному (ГОСТ 3816–81) та горизонтальному розташуванні відносно дзеркала води (відповідно, за показниками “капілярність” та “площа розтікання води по поверхні ТМ”), показало на наявність тісних зв’язків між цими показниками. Слід зауважити, що оцінка капілярності вихідних ТМ за величиною та формою площі розтікання води по горизонтальній поверхні ТМ дає можливість безпосередньо оцінювати рівень їх капілярності в різних напрямках та є непрямою характеристикою здатності текстильного полотна перерозподіляти та переміщувати рідину від шару до шару всередині ТКМ.

Результати дослідження водовбиральних властивостей вихідних ТМ виявили суттєвий вплив сировинного складу, особливостей структури полотна та виду заключної обробки на ці показники. Так, водовбиральність досліджених матеріалів змінюється в межах від 0 до 570%, а коефіцієнт водомісткості – від 0 до 1060 г/м2.

Результати динамічних та статичних методів досліджень водовідштовхувальних властивостей ТМ вказали на можливість використання щільних поліефірних тканин з водовідштовхувальною обробкою як бар’єрного шару багатошарових ТКМ, що забезпечує високий рівень водотривкості (? 4500 Па).

Дослідження теплофізичних властивостей вихідних ТМ дозволили визначити коефіцієнти теплопровідності (), температуроповідності (a), тепловий опір (R) та підтвердили можливість використання для оцінки “теплових відчуттів людини при доторканні до ТМ” коефіцієнту теплового поглинання b. При цьому встановлено, що найприємнішими (теплими на дотик) є поліпропіленові полотна, у яких b є найнижчим (b = 90 ч 130 Втс1/2/м2К), що підтверджено результатами наших досліджень при оцінці теплових відчуттів людини при її контакті з ТМ органолептичним методом.

Зважаючи на те, що метою роботи є розробка поліфункціональних ТКМ, кожний шар якого виконує свою функцію, було здійснено розподіл всіх досліджених ТМ на умовні групи в залежності від виконуваної ними переважної функції в структурі багатошарового ТКМ по відношенню до води. Цей розподіл був здійснений за чотирма показниками фізичних властивостей, орієнтовні граничні числові значення яких наведені в табл.2:

­ коефіцієнт водомісткості (Вє, г/м2) – здатність ТМ вбирати та накопичувати воду;

­ час висихання (ф, хв) – здатність ТМ віддавати воду;

­ площа розтікання води по горизонтальній поверхні ТМ (S, мм2) характеризує капілярність ТМ в горизонтальному напрямку в усій товщині полотна і здатність текстильного полотна переміщувати рідину від шару до шару всередині ТКМ;

­ водотривкість (Втр, Па) – здатність створювати опір проникненню води через структуру ТМ.

В таблиці 2 напівжирним шрифтом виділені вісім ТМ, які були вибрані з 26 досліджених полотен для подальшого одержання та дослідження ТКМ.

Таблиця 2

Умовний розподіл досліджених ТМ на функціональні групи

Переважна

функція шару ТКМ

(група ТМ) | Граничні числові значення показників властивостей | ТМ, які відповідають вимогам, певної групи (умовні позначення)

Коефіцієнт водомісткості, Вє, г/м2 | Час

висихання,

ф, хв | Площа розтікання води по горизонтальній поверхні ТМ,

S, мм2 | Водо-тривкість, Втр, Па

І. Вбирання та

перенесення води | 200 ч 300 | 0 ч 20 | 0 ч 800 | 0“ | Sa”, “ПП”

ІІ. Вбирання та накопичення води в об’ємі | ? 300 | ? 25 | 800 ч 3000 | 0“ | Al”, “Pq”, “Л”, “El”, “ZQ”, “Л”, “Л*”, “Sp”, “E*”, “Z”

ІІІ. Перерозподіл води по поверхні ТМ, її часткове вбирання та перенесення | 20 ч 200 | 10 ч 25 | ? 3000 | 0“ | Lu”, “Ar”, “П”, “CM”, “Se”, “Ve”, “OS”, “L*”, “ПОМ-1”, “ПОМ-2”

ІV. Створення опору проникненню води | 0 | 0 ч 10 | 0 | 4000ч5000“ | BA”, “F”, “TD-1”,“

TD-2”

Примітки:“

Sa” – трикотаж, ПП – 100%“ | Pq” – трикотаж, Бавовна – 100%“

Sp” – трикотаж, ПЕ/Бавовна – 67/33%, “ | Л” – трикотаж, Льон/Бавовна – 50/50%“

Al” – двошаровий трикотаж, ПП – 40%, Бавовна – 60%“ | Lu” – тканина з ультратонких волокон, ПЕ – 100%“

El” – трикотаж, Віс – 100%“ | BA” – тканина з водовідштовхувальною обробкою, ПЕ – 100%

Аналіз одержаних результатів дає підставу віднести до першої групи ТМ (вбирання та перенесення води) гідрофобні поліпропіленові полотна, наприклад “Sa”, які відрізняються рихлістю структури, великою кількістю наскрізних пор, здатністю швидко вбирати в себе воду та швидко віддавати і передавати її до наступних шарів. Крім того, поліпропіленові полотна є приємними на дотик (коефіцієнт теплового поглинання менше 150 Втс1/2/м2К). Ці полотна гіпоалергенні та антимікробні. Зразок “Sp” з суміші бавовняних та поліефірних волокон був використаний в дослідах для порівняння та визначення переваг та недоліків використання гідрофільних та гідрофобних матеріалів для першого шару ТКМ, який контактує зі шкірою людини.

Текстильні полотна з бавовняних волокон “Pq”, напівлляних “Л”, віскозних “El” та двошарового бавовняно-поліпропіленового полотна “Al” в структурі ТКМ можуть забезпечити функцію вбирання та накопичення води в об’ємі багатошарових полотен (друга група ТМ).

Тканина “Lu” з ультратонких поліефірних ниток, яка має високу змочуваність і капілярність при горизонтальному розташуванні та низьку спорідненість до води (непряма характеристика – висока швидкість висихання), є найбільш придатною для виконання в ТКМ функції перерозподілу води по поверхні ТМ, її часткового вбирання та перенесення до наступних шарів (третя група ТМ).

Тканина “BA” – щільна гідрофобна тканина з водовідштовхувальною обробкою – є найбільш придатною для бар’єрного шару ТКМ, а саме, для створення опору проникненню води крізь багатошарові структури (четверта група ТМ).

Таким чином, створена база даних фізичних властивостей ТМ і розподіл ТМ на умовні групи дозволяє суттєво скоротити час на вибір відповідних матеріалів для функціональних шарів ТКМ та на розробку конструкцій поліфункціональних ТКМ певного призначення.

П’ятий розділ присвячений дослідженню гігієнічних властивостей ТКМ, що дало можливість встановити залежності між гігієнічними властивостями багатошарових полотен і вихідних ТМ, з метою подальшого їх прогнозування.

Для проведення досліджень було відібрано 5 груп (15 зразків) ТКМ (табл.3). Зразки були підібрані так, щоб дослідити вплив властивостей першого шару, другого шару, третього шару, з’єднувальних полотен, додаткового об’єму повітря, який вводиться в ТКМ з об’ємними клейовими трикотажними полотнами на фізичні властивості багатошарових ТКМ.

Багатошарові ТКМ одержували методом термосклеювання без зволоження на лабораторній установці для волого-теплової обробки текстильних матеріалів ВТО-1 та на виробничій установці прохідного типу RPS-C 1400 фірми “Mayer” (ФРН).

З метою оптимізації процесу одержання багатошарових ТКМ було здійснене планування експерименту за планом В2. Як параметр оптимізації було вибране відносне розшаровувальне зусилля Рр, Н/см. Як постійні фактори були вибрані температура верхньої та нижньої подушок преса ВТО-1 (150 і 1300С відповідно) та температура нагрівальних елементів установки RPS-C 1400 (1300С).

Як вхідні фактори були вибрані:

­ на установці ВТО-1: тиск – Р=0,03МПа; 0,055МПа; 0,08МПа та час – ф=10с; 15с; 20с.

­ на установці RPS-C 1400: тиск – Р=0,1МПа; 0,2МПа; 0,3МПа та час – ф=10с; 15с; 20с.

Математична обробка результатів експерименту здійснювалась за допомогою умовно-безкоштовної програми “Star”, що дозволило отримати двофакторні математичні моделі, адекватні фізичній сутності процесу у вибраному факторному просторі (Фрозр = 0,02ч3,11 < Фтабл=3,24ч3,63). Для всіх ТКМ регресійні залежності мають вид:

(1)

де k, k1, k2, k3, k4 – постійні.

Аналіз отриманих залежностей дозволив встановити оптимальні параметри одержання ТКМ, при яких відносне розшаровувальне зусилля досягає максимального значення:

­ для ВТО-1 Рр =2,7ч3,8Н/см при: Твп =1500С, Тнп =1300С, Р=0,06ч0,07МПа, ф=15ч17с;

­ для RPS-C 1400 Рр =4,1ч5,6Н/см при: Тне =1300С, Р=0,2МПа, ф=15ч18с.

Таблиця 3

Характеристики багатошарових текстильних композиційних матеріалів

Номер групи | Код ТКМ | Склад тКМ | Поверхнева густина, г/м2

(ГОСТ 3811–72) | Товщина, мм

(ДСТУ ІSО 5084:2004) | Гігроскопічність,

Н, %

(ГОСТ 3816–81) | Площа

розтікання води по поверхні ТМ ,

S, мм2 | Водовбиральність, Пв , %

(ГОСТ 3816–81) | Коефіцієнт

водомісткості,

Вє, г/м2

(ГОСТ 3816–81) | Коефіцієнт

водомісткості при горизонтальному розташуванні,

Вєг, г/м2 | Водотривкість

Втр, Па

(ГОСТ 3816–81)

І | 4 | Sa+Al+El+Lu+BA | 1038±33 | 2,93±0,10 | 7,3±0,3 | 450±20 | 214±10 | 2330±105 | 1610±50 | 5090±50

11 | Sa+Al+Рq+Lu+BA | 924±18 | 2,92±0,06 | 5,5±0,2 | 410±10 | 235±12 | 2200±100 | 1620±56 | 5190±40

12 | Sa+Al+Л+Lu+BA | 993±16 | 3,04±0,05 | 6,5±0,3 | 410±10 | 230±10 | 2370±106 | 1670±50 | 5000±50

ІІ | 6 | Sp+Al+El+Lu+BA | 1126±36 | 3,03±0,10 | 7,5±0,3 | 2870±20 | 210±14 | 2440±165 | 2200±65 | 5080±45

13 | Sp+Al+Pq+Lu+BA | 1023±19 | 3,20±0,06 | 5,9±0,2 | 2780±20 | 235±15 | 2400±160 | 2030±64 | 5190±30

14 | Sp+Al+Л+Lu+BA | 1083±19 | 3,43±0,01 | 6,8±0,4 | 2730±30 | 225±15 | 2530±170 | 2110±70 | 5090±50

ІІІ | 8 | Sa+Lu+Al+El+BA | 1038±33 | 2,99±0,07 | 7,5±0,5 | 180±20* | 220±15 | 2360±165 | 1930±60 | 5100±50

10 | Sp+Lu+Al+El+BA | 1126±36 | 3,03±0,10 | 7,7±0,4 | 610±20* | 215±16 | 2550±180 | 2320±50 | 5090±40

IV | 27 | Sa+Al+El-Кл-Lu+BA | 1264±18 | 3,42±0,05 | 7,1±0,2 | 350±20 | 225±19 | 2850±200 | 2220±75 | 5230±35

28 | Sa+Al+Рq-Кл-Lu+BA | 1148±24 | 3,30±0,07 | 6,0±0,3 | 310±20 | 248±20 | 2815±180 | 2110±80 | 5270±40

29 | Sa+Al+Л-Кл-Lu+BA | 1225±37 | 3,73±0,11 | 6,2±0,4 | 300±10 | 242±20 | 2920±220 | 2150±65 | 5280±50

V | 31 | Sa+Al-Кл-Еl-Кл-Lu+BA | 1470±32 | 4,39±0,08 | 6,4±0,2– | 250±24 | 3690±295 | 3185±80 | 5370±50

32 | Sa+Al+Еl-Кл-Lu-Кл-BA | 1470±32 | 4,39±0,08 | 6,6±0,2– | 255±25 | 3790±300 | 3010±85 | 5300±45

33 | Sa-Кл-Al+Еl-Кл-Lu+BA | 1470±32 | 4,39±0,08 | 6,5±0,3– | 245±26 | 3645±320 | 3100±70 | 5400±50

34 | Sa-Кл-Al+Еl+Lu-Кл-BA | 1470±32 | 4,39±0,08 | 6,6±0,2– | 250±26 | 3690±250 | 3080±75 | 5460±50

Примітки: * – крапля води розтікалась по другому шару і витікала з бокових сторін ТКМ

Графічне зображення математичної моделі процесу термосклеювання – це поверхня відгуку, яка має екстремум функції (рис.1).

Рис.1. Залежність відносного розшаровувального зусилля Рр (Н/см) від тиску Р (МПа) та часу ф (с) для ТКМ

Аналіз однофакторних моделей показав, що вплив тиску при вибраній температурі на якість клейового з’єднання є найбільш вагомим з його зростанням величина розшаровувального зусилля збільшується. При цьому міцність при розшаруванні ТКМ, одержаних на установці прохідного типу майже в 2 рази більша в порівнянні з результатами термосклеювання на пресі ВТО-1.

Аналіз експериментальних даних дозволили встановити, що поверхнева густина композиційних полотен є адитивною величиною (відхилення ДMs не перевищує 2% при гарантійній похибці коефіцієнта варіації mс=2%) і може бути розрахована за формулою:

(2)

де Msі – поверхнева густина вихідних ТМ, г/м2; n – кількість шарів в ТКМ.

Але товщина ТКМ не може бути описана законом адитивності: експериментальна товщина менша розрахункової на 20 ч 30% при гарантійній похибці вимірювання 1 ч 2%. Така різниця в значеннях пояснюється зменшенням товщини вихідних полотен внаслідок сумісної дії підвищеної температури та тиску при одержанні ТКМ.

Під час досліджень визначалися особливості поглинання пари багатошаровими ТКМ. Встановлено, що величини гігроскопічних характеристик ТКМ є адитивними величинами щодо характеристик його складових. Відхилення між значеннями розрахункових та експериментальних величин знаходиться в межах 0 ч 10%.

, (3)

де Hі – гігроскопічність вихідних текстильних матеріалів, %; рі – масова частка вихідного текстильного полотна в структурі ТКМ, %; n – кількість шарів в ТКМ.

Капілярні властивості ТКМ оцінювалися за показником “площа розтікання води по поверхні горизонтально розташованого матеріалу”. У всіх ТКМ спостерігається зменшення площі розтікання по верхньому шару (табл.3) у порівнянні з вихідними полотнами “Sа” і “Sp”. Це пояснюється дією другого шару, який сприяє “відведенню” води з поверхні ТКМ та її проникненню в структуру композиційного полотна. Таке явище є позитивним для багатошарових полотен, призначених для відведення рідини від тіла людини. Найкращими є багатошарові матеріали з верхнім шаром з гідрофобного поліпропіленового полотна “Sa” з великою кількістю наскрізних пор, яке забезпечує швидке перенесення води в об’єм структури ТКМ.

Здатність ТКМ до водовбирання оцінювалася за стандартизованими показниками водовбиральності та коефіцієнта водомісткості. Всі ТКМ мають коефіцієнт водомісткості у межах 2200 ч 3800 г/м2 (табл.3). Коефіцієнт водомісткості ТКМ І ч IІІ груп зі з’єднувальними шарами з тонкої сітки практично дорівнює сумарній водомісткості вихідних текстильних полотен, що входять до складу багатошарових структур. Різниця між розрахунковими та експериментальними значеннями (ДВє = 2 ч 9%) знаходяться в межах точності експерименту (mс = 5 ч 9%). Також встановлено, що зміна взаємного розташування полотен в багатошарових структурах не впливає на їх водовбиральність (на прикладі зразків №4, №8 та №6, №10).

Встановлено, що використання клейового трикотажного полотна в структурі ТКМ (ІV та V груп) приводить до значного зростання їх водовбиральності: відхилення між розрахунковими та експериментальними значеннями становлять приблизно 20% при використанні одного шару трикотажного полотна та біля 50% при використанні двох шарів (рис.2). Різна здатність до вбирання води спричиняється збільшенням кількості повітряних прошарків. Мікроскопічні дослідження показали, що під час термосклеювання на границі з’єднання клейового полотна з функціональним шаром утворюються порожнини за рахунок переривчастих перегородок, що утворені з клейових з'єднань після розплавлення клейової поліетиленової нитки. Форма і розміри цих внутрішніх порожнин визначаються рисунком вв’язування поліетиленових ниток у трикотажне полотно. Можна очікувати, що змінюючи розміри та геометрію порожнин, можна до певної міри регулювати водовбиральну здатність багатошарових полотен. Таким чином, можна стверджувати, що об’ємне клейове трикотажне полотно, крім функції з’єднувального елемента, є функціональним шаром, досить ефективним щодо регулювання водовбиральних властивостей ТКМ.

Рис.2. Вплив виду та кількості з’єднувальних полотен на водовбиральні

властивості ТКМ

Як показують результати математичної обробки експериментальних даних, на стадії проектування для багатошарових ТКМ значення коефіцієнта водомісткості можна визначати за адитивними залежностями з введенням додаткового коефіцієнта:

(4)

де Вєі – коефіцієнт водомісткості вихідних ТМ, г/м2; n – кількість шарів у ТКМ; К – коефіцієнт, який залежить від виду з’єднувального полотна і конкретних параметрів одержання: К ? 1,0 – для ТКМ з з’єднувальними шарами з тонкої сітки; К ? 1,2 – для ТКМ з одним шаром об’ємного клейового трикотажного полотна;

К ? 1,5 – для ТКМ з двома шарами об’ємного клейового трикотажного полотна.

Для розрахунку показника водовбиральності багатошарових полотен запропонована формула, що враховує масову частку кожного компоненту (шару) в структурі ТКМ:

(5)

де Пві – водовбиральність вихідних ТМ, %; рі – масова частка вихідного ТМ в структурі композиційного полота; n – кількість шарів у ТКМ; К – коефіцієнт, який змінюється у межах від 1,0 ? К ? 1,5.

Умови, за яких проводилося визначення коефіцієнта водомісткості ТКМ за стандартизованою методикою (ГОСТ 3816-81), відрізняються від реальних умов експлуатації створюваних нами полотен. Враховуючи це, були проведені дослідження водовбиральних властивостей багатошарових ТКМ при їх горизонтальному розташуванні без бокового вбирання, коли ТКМ поглинає рідину тільки однією своєю стороною. При цьому встановлено, що для усіх ТКМ характерним є зниження водовбиральних властивостей на 10 ч 25% у порівнянні з даними за ГОСТ 3816-81. Зіставлення даних з водовбиральності ТКМ та розрахованої кількості виділеної тілом людини рідини дозволило оцінити можливий час безперервної експлуатації ТКМ у виробах для догляду за лежачими хворими (рис.3). Ці дані показують, що всі досліджені ТКМ можуть забезпечити вбирання рідини протягом 12 годин без їх заміни. А полотна V групи (№31 ч №34), що містять два шари об’ємного клейового трикотажного полотна, дають змогу збільшити безперервний термін використання до 24 годин.

Рис.3. Оцінка терміну безперервної експлуатації ТКМ

Дослідження впливу складу ТКМ на кінетику процесу водовбирання проводилося при їх горизонтальному розташуванні відносно дзеркала води, що імітує реальні умови експлуатації. Результати дослідження показали, що цей процес можна апроксимувати рівнянням, яке з високою точністю описує кінетику процесу водовбирання одношарових матеріалів та пакетів однорідних матеріалів при їх горизонтальному розташуванні відносно джерела надходження води:

(6)

де , г/м2 – коефіцієнт водомісткості ТКМ в момент часу t, с;

, г/м2 – коефіцієнт водомісткості ТКМ за час t > ? (рівноважний стан);

k, с-1 – константа швидкості гальмування процесу водовбирання ТКМ.

Виділено два типи кривих, що описують кінетику цього процесу. Перший тип кривих є характерним для ТКМ з верхнім шаром з поліпропіленового трикотажного полотна “Sа” (рис. 4, крива 1).

Рис.4. Кінетика процесу водовбирання ТКМ:

1 та 3 – експериментальна та розрахункова криві для зразка №27;

2 та 4 – експериментальна та розрахункова криві для зразка №6

Другий тип кривих є характерним для ТКМ з верхнім шаром з бавовняно-поліефірного трикотажного полотна “Sр” (рис.4, крива 2). Встановлено, що багатошарові ТКМ з верхнім шаром з поліпропіленового полотна “Sа” (І, ІV групи) характеризуються більш високою початковою швидкістю поглинання води (х = 2,7·10-5 ч 4,0·10-5 м/с) (рис.4, крива 1). У полотен ІІ групи (перший шар – бавовняно-поліефірне трикотажне полотно “Sр”), початкова швидкість водовбирання помітно менша і становить х = 4,8·10-7ч2,2·10-6 м/с (рис.4, крива