Комплексная оценка физико-механических свойств нетканых материалов для стелек повседневной обуви

Повседневная обувь предъявляет высокие требования к качеству всех конструктивных элементов, в том числе к стелькам, которые обеспечивают комфорт при носке, амортизацию нагрузок и поддержание гигиенических условий внутри обуви. Одним из перспективных направлений в производстве обувных стелек является использование нетканых материалов на основе синтетических волокон, обладающих сочетанием механической прочности, устойчивости к деформациям и способности к влагообмену. В последние годы наблюдается устойчивый рост спроса на текстильные материалы нового поколения, предназначенные для повышения функциональности обувной продукции. При этом недостаточно разработаны научные подходы к комплексной оценке физико-механических и гигроскопических свойств нетканых полотен различной структуры для применения в конструкции стелек. Отсутствие систематизированных данных усложняет выбор материалов для проектирования обуви различного назначения, особенно в условиях эксплуатации, предполагающих интенсивные нагрузки и переменные климатические условия.

Таким образом, возникает необходимость в научном обосновании выбора нетканых материалов для изготовления стелек на основе комплексного анализа их физико-механических и теплотехнических характеристик.

Целью исследования является проведение комплексной оценки физико-механических свойств пяти видов нетканых полотен на основе полиэфирных волокон для обоснования их применения в стельках повседневной обуви.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

–проведение экспериментальных исследований прочностных, гигроскопических и теплотехнических свойств образцов; –анализ влияния структуры полотен на исследуемые показатели; –разработка рекомендаций по выбору оптимальных материалов для различных условий эксплуатации обуви.

Научная новизна работы заключается в комплексном сравнительном анализе эксплуатационных характеристик нетканых полотен с различными структурными особенностями, предназначенных для использования в конструкции обувных стелек, а также в выявлении взаимосвязей между структурными параметрами и физико-механическими свойствами материалов.

Методология исследования основана на использовании стандартных методов испытаний прочности, водопоглощения и теплопроводности в соответствии с действующими нормативными документами и стандартизованными методиками [1].

1. Материалы и методы исследования 1.1. Объекты исследования Объектами исследования являлись пять видов нетканых полотен на основе полиэфирных волокон, предназначенные для применения в конструкции стелек повседневной обуви. Исследуемые полотна различались по способу формирования структуры, типу армирования и плотности материала. Образцы были отобраны таким образом, чтобы охватить широкий спектр конструктивных решений, применяемых в обувной промышленности.

Основные характеристики исследуемых материалов включали:

–способ формирования нетканой структуры (иглопробивной, термоскреплённый и комбинированный методы); –плотность материала; –наличие армирующих компонентов.

1.2. Методы испытаний

Для комплексной оценки эксплуатационных свойств нетканых полотен были применены следующие методы испытаний:

–измерение толщины материала при стандартной нагрузке по ГОСТ Р 57583-2017 [2]; –определение поверхностной плотности по ГОСТ 3811-72 [3]; –испытания на разрывную нагрузку и относительное удлинение при растяжении по ГОСТ Р 57626-2017 [4]; –определение водопоглощения согласно методике ГОСТ 3816–81 [5]; –измерение коэффициента теплопроводности и теплового сопротивления методом стационарного теплового потока по ГОСТ Р 56918-2016 [6].

1.3. Нормативная база испытаний Для обеспечения сопоставимости результатов использовались стандартизованные методы испытаний, соответствующие требованиям:

–ГОСТ Р 56967–2016 «Материалы текстильные. Методы испытаний физических и механических свойств»; –ГОСТ 3811–72 «Материалы текстильные.

Метод определения поверхностной плотности»; –ГОСТ 270–75 «Ткани. Метод определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве»; –ГОСТ 3816–81 «Материалы текстильные.

Определение водопоглощения»; –ГОСТ 7076–99 «Материалы теплоизоляционные строительные. Методы определения теплопроводности».

1.4. Оборудование

Испытания проводились с использованием следующего оборудования:

–универсальная разрывная машина Р-5П для определения прочностных характеристик; –приборы для измерения толщины и поверхностной плотности текстильных материалов; –установка для испытаний теплопроводности по стационарному методу теплового потока; –лабораторные весы для определения водопоглощения.

Перед началом испытаний образцы кондиционировались в стандартных климатических условиях (температура 20 ± 2 °C, относительная влажность воздуха 65 ± 5%) в течение 24 часов. 2. Результаты исследований 2.1. Структурные характеристики образцов В рамках исследования были изучены пять образцов нетканых материалов:

–образец 1 — холстопрошивное полотно на основе полиэфирных волокон; –образец 2 — иглопробивное полотно без армирования; –образец 3 — иглопробивное полотно с армирующей сеткой; –образец 4 — термоскреплённое полотно; –образец 5 — комбинированное полотно (иглопробивное с термоскреплением).

Проведённые исследования пяти видов нетканых материалов для стелек повседневной обуви позволили определить их основные структурные параметры. Результаты приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Структурные характеристики исследуемых образцов Показатель Наименование материала Полотно 1 Полотно 2 Полотно… — см. PDF статьи.

Испытания на разрывную нагрузку и относительное удлинение при растяжении позволили оценить механическую прочность образцов. Результаты приведены в Таблицах 2 и 3.

Таблица 2. Результаты определения разрывной нагрузки Наименование материала Направление раскроя полоски продольное попер… — см. PDF статьи.

2.3. Исследование теплопроводности Измерения, необходимые для определения теплопроводности, проводились на установке для измерения коэффициента теплопроводности текстильных материалов, разработанной, сконструированной и изготовленной проф. кафедры МиТЭ Абрамовым А.В. Конструктивные особенности этой установки позволяют независимо регулировать параметры нагрева и охлаждения поверхностей образца как в сухом, так и во влажном состояниях, за счет чего, как было установлено [7, с. 24–30], результаты испытаний на данном устройстве хорошо соответствуют действительности.

Поскольку практическое значение имеет не столько коэффициент теплопроводности, сколько тепловое сопротивление, также в работе были рассчитаны соответствующие величины, для чего использовалась известная формула [8, с. 217]. Результаты испытаний и расчетов приведены в табл. 4.

Таблица 4. Результаты определения тепловых характеристик Наименование материала Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С)… — см. PDF статьи.

Наилучшее тепловое сопротивление продемонстрировали полотна 1 и 5 (115 и 97 (м²·°С)/Вт соответственно), при этом полотно 5 отличается самым низким коэффициентом теплопроводности — 0,023 Вт/(м·°С). Это свидетельствует о высокой способности материала к сохранению тепла при минимальной массе, что делает его оптимальным для зимней обуви.

В дальнейшем, используя методику градации качества можно оценить образцы по различным показателям и тем самым определить наиболее вероятную область применения данных образцов [10, с. 111].

3. Выводы по результатам испытаний Проведённые исследования показали, что:

–холстопрошивное полотно (образец 1) обладает наилучшей совокупностью прочностных, гигроскопических и теплоизоляционных характеристик, что позволяет рекомендовать его для изготовления стелек в зимней и демисезонной обуви; –иглопробивные полотна без армирования (образец 2) уступают по прочности и водопоглощению, однако сохраняют приемлемые показатели для повседневной обуви лёгкого типа; –введение армирующей сетки (образец 3) улучшает прочностные характеристики без значительного ухудшения гигроскопических свойств; –термоскреплённое полотно (образец 4) имеет минимальные водопоглощающие и теплоизоляционные характеристики, что ограничивает его применение в условиях низких температур; –комбинированное полотно (образец 5) представляет собой компромиссный вариант с умеренными показателями прочности, водопоглощения и теплопроводности.

Полученные результаты имеют важное практическое значение для предприятий обувной промышленности, ориентированных на выпуск продукции с повышенным уровнем комфорта и эксплуатационной надёжности. Комплексная характеристика нетканых материалов позволяет обоснованно выбирать наиболее подходящие полотна для изготовления стелек, учитывая сезонность использования обуви, требования к гигроскопичности и теплоизоляции. Применение холстопрошивных и комбинированных полотен с оптимальными прочностными и теплотехническими свойствами может способствовать повышению конкурентоспособности обувных изделий.

Исследования, проведённые С.В. Лопаткиной, показали, что для повышения эксплуатационных характеристик многослойных нетканых материалов, в том числе применяемых в обувной промышленности, существенное значение имеет комплексная оценка их физико-механических и теплоизоляционных свойств. Разработанная методология оценки качества утеплителей различного волокнистого состава с учётом многокритериального анализа может быть адаптирована для аналогичной оценки обувных стелек.

Особенно актуально использование унифицированных показателей при проектировании конструкций, в которых свойства материала играют ключевую роль в обеспечении комфорта и износостойкости [11, с. 110].

Как показано в исследовании [12], использование многослойных пакетов материалов с включением армирующих компонентов позволяет достичь высокой прочности и устойчивости к деформации при минимальной толщине полотна, что актуально и при проектировании функциональных элементов обуви, в частности стелек.

В перспективе дальнейшие исследования целесообразно направить на изучение долговечности нетканых материалов в условиях реальной эксплуатации, а также на разработку новых композиционных материалов с регулируемыми свойствами для адаптивных стелек различного назначения.