автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Разработка методики сравнительной оценки материалов для защиты от электромагнитных излучений

НИКИФОРОВА АННА АЛЕКСЕЕВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ИЗЛУЧЕНИЙ

Специальность 05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ОКТ 2013

Москва-2013

005536785

НИКИФОРОВА АННА АЛЕКСЕЕВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ИЗЛУЧЕНИЙ

Специальность 05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

Работа выполнена на кафедре текстильного материаловедения федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии».

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Давыдов Александр Федорович

Официальные оппоненты Родэ Сергей Витальевич,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии»

Майоров Михаил Александрович, кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Костромской государственный технологический университет»

Защита диссертации состоится <0$» М&С&^у^ьР 2013 года в часов на заседании диссертационного совета Д 212.144.06 в Московском государственном университете дизайна и технологии по адресу: 117997, г. Москва, ул. Садовническая, д. 33, стр. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии».

года

Автореферат разослан «

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Шустов Юрий Степанович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В условиях развития научно-технического прогресса, различных видов энергетики, а также промышленности, электромагнитные излучения (ЭМИ) занимают ведущее место среди факторов воздействия на окружающую среду.

В целом общий электромагнитный фон состоит из источников естественного (электрические и магнитные поля Земли, радиоизлучения Солнца и галактик) и искусственного (антропогенного) происхождения (телевизионные антенны и радиостанции, линии электропередачи, электробытовая техника, промышленное оборудование). ЭМИ воздействует на четыре системы организма человека, наиболее подверженные действию электромагнитного излучения: нервную, иммунную, эндокринную и половую. Отсюда весьма широкий диапазон заболеваний — от функциональных расстройств нервной системы до развития опухолей и лейкозов.

В качестве защитных материалов при воздействии ЭМИ используются листовая сталь, фольга и текстильные материалы, содержащие металлические нити и волокна. В промышленных условиях для защиты от ЭМИ используются специальные костюмы. Основную защитную функцию этих костюмов выполняют специальные ткани. Поэтому, разработка методов сравнительной оценки является актуальной задачей при исследовании тканей для защиты от ЭМИ.

Цель и задачи исследования

Целью данной работы являлся выбор показателей, разработка нормативной документации методов оценки качества и безопасности тканей для костюмов для защиты от электромагнитных излучений.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: анализ научно-технической литературы по влиянию электромагнитного излучения на организм человека;

анализ нормативной документации на методы определения коэффициента ослабления электромагнитного излучения;

разработка методов оценки коэффициента ослабления тканей для защиты от электромагнитного излучения;

выбор определяющих показателей качества тканей для защиты от электромагнитного излучения;

исследование влияния многократных стирок на физико-механические свойства тканей для защиты от электромагнитного излучения;

разработка методов прогнозирования разрывной и раздирающей нагрузки, коэффициента ослабления тканей для защиты от электромагнитного излучения;

оценка характеристик надежности тканей для защиты от электромагнитного излучения.

Методы исследования

Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартных методов в лабораторных условиях. Для обработки результатов эксперимента в исследованиях использовались численные методы прикладной математики и математической статистики. В качестве теоретической основы применялись теория подобия и анализа размерностей, а также теория надежности. Построение функциональных зависимостей осуществлялось методами корреляционно-регрессионного анализа на ЭВМ с помощью программ Microsoft Excel и MathCAD. Для обработки графических изображений применялась программа Photoshop.

Научная новизна работы

При проведении теоретических и экспериментальных исследований автором впервые:

- предложен метод определения коэффициента ослабления ЭМИ при частоте до 1 ГГц;

- разработан метод определения коэффициента ослабления ЭМИ при частоте свыше 1 ГГц;

- разработан метод прогнозирования и получены математические зависимости разрывной и раздирающей нагрузки, коэффициента ослабления тканей для защиты от ЭМИ, устанавливающих взаимосвязь между параметрами строения и количеством стирок на основе теории подобия и анализа размерностей;

- рассчитаны характеристики надежности тканей для защиты от ЭМИ по показателям: разрывная и раздирающая нагрузка, электрическое сопротивление и коэффициент ослабления ЭМИ.

Практическая значимость работы заключается в том, что

- разработанные методы определения коэффициента ослабления при разных частотах позволяют оценить безопасность костюмов для защиты от ЭМИ при сертификационных испытаниях, научных исследованиях и лабораторных методах контроля;

- определена номенклатура показателей качества, которая может являться основой технических регламентов Таможенного союза для защитной одежды от ЭМИ;

- разработанный стандарт организации может быть использован на предприятиях, имеющих риски от излучения, и на швейных предприятиях, осуществляющих пошив одежды для защиты от ЭМИ;

- полученные на основе теории подобия и анализа размерностей математические зависимости могут быть использованы при проектировании тканей для специальной одежды для защиты от ЭМИ.

Результаты исследований могут быть использованы на текстильных предприятиях при проектировании тканей для защиты от ЭМИ, что позволит значительно сократить сроки и затраты на разработку нового ассортимента.

Апробация работы

Основные результаты научных исследований докладывались и получили положительную оценку на:

1. Международной научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2012)», Иваново: ИГТА, 2012

2. Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике». ДИТУД (филиал) УлГТУ, Димитровград, 2012

3. Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2013), Иваново, Текстильный институт ФГБОУ ВПО «ИВГПУ», 2013

4.65-й юбилейной межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству», Кострома, КГТУ, 2013

5. Заседании кафедры текстильного материаловедения ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии».

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа выполнена на 173 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 36 таблиц, список литературы из 106 наименований, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена ее направленность, а также отражена практическая значимость исследований.

В первой главе рассмотрены виды электромагнитного излучения (ЭМИ) и его влияние на организм человека.

До настоящего времени в России было разработано два типа защитной ткани — с открытой и скрытой металлизацией. Металлизированные ткани, пришедшие на замену металлическим листам и сеткам, являются наиболее удобными как средство защиты человека и приборов от ЭМИ.

В Техническом регламенте Таможенного союза «О безопасности средств индивидуальной защиты» СИЗ на защиту от ЭМИ не выделены в отдельную группу и объединены с СИЗ для защиты от электрического тока и

электродуги. Так же отдельно не выделены испытания на воздействия ЭМИ, а проверяются также электрические свойства тканей. Определяется только коэффициент ослабления интенсивности электростатического, электрического или электромагнитного поля.

При проведении анализа нормативной документации выявлено, что существует только один метод для определения защитных свойств тканей для защиты от ЭМИ. Он указан в ГОСТ 12.4.172-87 «Система стандартов безопасности труда. Комплект индивидуальный экранирующий для защиты от электрических полей промышленной частоты. Общие технические требования и методы контроля».

В соответствии с этим нормативным документом для определения коэффициента экранирования используется полностью защитный костюм. Данный метод не позволяет определить коэффициент ослабления ЭМИ при прохождении волн через материал, а учитывается только экранирующий эффект, который для текстильных материалов достаточно низкий. В связи с вышесказанным возникла необходимость разработки новых методов оценки защитных свойств тканей указанного назначения.

Вторая глава посвящена выбору определяющих показателей качества тканей для защиты от ЭМИ и составлении номенклатуры показателей.

Для выбора определяющих показателей качества тканей для защиты от ЭМИ использовался экспертный опрос. Основными защитными показателями являются ослабление электромагнитного и электрического полей, гигиеническими - воздухопроницаемость и влагоотдача, эксплуатационными -усадка после стирки и устойчивость окраски к стирке, трению, глажению, поту и свету, технологическими - поверхностная плотность и жесткость при изгибе. У данных показателей наибольшие коэффициенты весомости.

Третья глава посвящена разработке трех методов определения коэффициентов ослабления тканей для защиты от ЭМИ.

Схема лабораторного стенда, используемого при первом методе представлена на рис. 1.

Схема, используемая при определении коэффициента ослабления ЭМИ, включает следующие элементы: магнетронный генератор СМВ-150-1 «Луч 11»; измеритель электромагнитных излучений ЕМЕ1-20; персональный компьютер (ПВЭМ).

Аппарат СМВ-150-1 «Луч 11» представляет собой магнетронный генератор сантиметрового диапазона 2,45 ГГц (12,6 см) и состоит из генератора и набора излучателей (антенн) различных диаметров.

Измерители уровня электромагнитного излучения ЕМ31-20 предназначены для измерения уровней высокочастотных электрических полей, создаваемых различными источниками.

Для испытаний используются образцы квадратной формы размером 50x50 мм. Для проведения испытания необходимо обеспечить выполнение некоторых условий.

Рисунок 1 — Схема измерительной установки

Условие дальней зоны: необходимо установить расстояние между антеннами £»0,4 м.

Расстояние с! между исследуемым материалом и приёмной антенной следует выбрать минимальное, чтобы исключить эффект дифракции, отсюда </=0,05 м.

ГТВЭМ подключена непосредственно к генератору СВМ-150-1 «Луч-11», где установлен необходимый уровень мощности. После чего с Г1ВЭМ снимается значение плотности потока энергии [мкВт/см ]. Значение плотности потока энергии на экране ПВЭМ принимается усредненное, после пятого, отобразившегося на экране значения плотности потока энергии.

Для получения наиболее достоверных результатов для каждого образца проводят не менее трех измерений на трех уровнях мощности.

Данный метод применяется при частоте до ЗГТц.

Схема лабораторного стенда, используемого при втором и третьем методах представлена на рисунках 2 и 3.

Измерения в диапазоне частот 0.3МГц + 8 ГГц проводились на лабораторном стенде на базе измерителя комплексных коэффициентов передачи "Обзор-804/1", сопряжённого с компьютерной системой регистрации и обработки сигнала. Образцы помещались в коаксиальную измерительную ячейку сечением 16/6.95 мм, согласованную с коаксиальным измерительным трактом и включенную в режим измерения ослаблений (ослабления).

ми-

Рисунок 2 - Схема измерительной установки (частота до У/Тц)

(Мь

Рисунок 3 - Схема измерительной установки (частота свыше ¡ГГц)

Тракт обеспечивает распространение волны ТЕМ-моды. Перед проведением измерений проводилась калибровка пустой измерительной ячейки по амплитуде и фазе. Достоверность измерений амплитуды ослабленного сигнала проверялась включением набора фиксированных аттенюаторов соответствующего частотного диапазона (30, 50 дБ). Образцы изготовлялись таким образом, чтобы обеспечить электрический контакт центрального и внешнего проводников по всему периметру. После помещения ячейки с образцом в измерительный тракт определялись соответствующие коэффициенты ослабления К,»«, в логарифмическом масштабе.

Метод основан на измерении в радиочастотной области спектра при эффективной частоте волны 2,45 ГГц коэффициента ослабления текстильных материалов, применяемых для защиты от электромагнитных излучений.

Для измерения коэффициента ослабления применяются следующие приборы:

1. Магаетронный генератор СМВ-150-1 «Луч 11»;

2. Измеритель электромагнитных излучений ЕМЯ-20;

3. Персональный компьютер (ПЭВМ).

Измерения на частотах 10 ГГц и 16 ГГц проводились в секциях прямоугольных волноводов соответствующих сечений 23x10 мм и 16><8 мм на основной моде Ню при нормальном падении электромагнитной волны на образец, полностью заполняющий сечение линии. Измерения выполнены на идентичных лабораторных установках, построенных на базе СВЧ генераторов Г4-83 и Г4-108, измерительных волноводных линий, встроенных в тракт с вентильными развязками, селективных нановольтметров типа "Цшрап 235". Динамический диапазон составлял 80 дБ. Экспериментально определялись коэффициенты ослабления Кпр0п образцов, перекрывающих сечение согласованного волноводного тракта при двух поляризационных положениях образцов относительно вектора электрического поля.

На каждой из частот отсчет измеряемой величины проводят не менее трех раз. Полученные значения усредняются арифметически.

Формула для расчета коэффициента ослабления для тканей для защиты от ЭМИ имеет вид

Косл=101е ППЭ 5м./ППЭ ш. [дБ]

где ППЭ бм._ плотность потока энергии без материала, мкВт/м2;

ППЭ ш, - плотность потока энергии с материалом, мкВт/м2;

Косл - коэффициент ослабления, дБ.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния многократных стирок на физико-механические свойства тканей для защиты от ЭМИ.

Объектами исследований являлись электропроводящие ткани. Их характеристика приведена в табл. 1.

Таблица 1 - Характеристика объектов исследования

Наименование показателя арт. 77046-Х «Барьер» 2195 DELIA 5083 DELA 2167 HERA Hera-FRT

Волокнистый состав 100 % хлопок, микропровод 99% хлопок, 1% металлизированное волокно 24 % полиэстер, 75% хлопок, 1% металлизированное волокно 99% хлопок, 1% металлизированное волокно 99% хлопок, 1% металлизированное волокно

Поверхностная плот-2 ность, г/м 290 238 225 132 125

Переплетение саржа саржа саржа полотняное полотняное

Толщина,мм 0,5 0,4 0,4 0,35 0,25

Страна-производитель Россия Словения Словения Словения Словения

Все представленные образцы тканей обладают электропроводностью, приводящей к экранировке электромагнитного излучения высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов, что следует из величин коэффициентов ослабления в широком диапазоне частот (300 кГц... 15 ГГц).

Образец ткани арт. 77-046-Х «Барьер» обеспечивает уровень ослабления ЭМИ, достаточный для обеспечения экранировки ЭМП при решении ряда задач обеспечения электромагнитной совместимости и других в диапазоне частот до 109 Гц (30 дБ). Снижение ослабления ЭМИ со значительных величин 80 дБ на частотах ~ 106 Гц до 30 дБ на частоте 109 Гц связано с эффектом "просачивания" поля (излучения через диэлектрические отверстия, образованные конечным расстоянием между проводящими нитями).

Образцы тканей арт. 5083 DELA, 2195 DELIA близки по радиофизическим характеристикам. Обеспечивают незначительное (—5...-12 дБ) ослабление ЭМИ в коаксиальном тракте на частотах до 8 ГГц и порядка 13... 14 дБ (5083 DELA), 7.5... 16 дБ (2195 DELIA) — в волноводном тракте, где в меньшей степени учитывается электрический контакт образца с направляющей структурой. Образец ткани арт. 2167 HERA имеет коэффициент ослабления ЭМИ »8дБ и более в диапазоне частот до 10 ГГц, на частоте 15 ГГц ослабление уменьшается до величины порядка 6 дБ, что связано со структурной особенностью включения проводящих нитей в ткань. В диапазоне частот выше 1 ГГц коэффициент ослабления увеличивается из-за не сплошных электропроводящих включений в нити.

В образцах тканей арт. 2195 DELIA и 2167 HERA на частоте 15 ГГц QJA = 5 мм) наблюдается анизотропия ослабления ЭМИ, обусловленная структурой ткани. Наилучшей по коэффициенту ослабления электромагнитного излучения СВЧ является ткань арт. 2167 HERA, содержащая полиэфирные нити и хлопчатобумажную пряжу с заработанными в них металлическими волокнами, а наихудшая - ткань Барьер, выработанная из хлопчатобумажной пряжи и содержащей решетку из микропровода.

Ткани подвергались 50 стиркам бытовым порошком, после которых определялись такие физико-механические свойства, как изменение линейных размеров после мокрых обработок, разрывная и раздирающая нагрузка, жесткость при изгибе, воздухопроницаемость, гигроскопичность, электрическое сопротивление, коэффициент ослабления ЭМИ.

В таблице 2 приведены результаты определения изменения линейных размеров после мокрых обработок тканей для защиты от ЭМИ.

Из табл. 2 видно, что ткань арт. 2167 HERA, содержащая полиэфирные нити и хлопчатобумажную пряжу с заработанными в них металлическими волокнами, имеет наименьшую усадку, а ткань Барьер, выработанная из хлопчатобумажной пряжи с микропроводом - наибольшую.

Таблица 2 — Изменение линейных размеров после мокрых обработок тканей для зашиты от ЭМИ, %

Количество стирок Ткани

арт. 77-046-Х "Барьер" S083 DELA 2167 HERA 2195 DELIA Hera-FRT

осн. уток ОСН. уток ОСН. уток ОСН. уток ОСН. уток

5 -2.5 -13,5 0 0 0 0 •1.4 0 •2.5 0

25 -10.1 -15,5 -1.2 -1.1 -0,5 0 -2.1 -1.1 -7.1 -2.2

50 •13,3 -24,5 -1.3 •1.3 -0,6 0 -2.2 -1,4 -7.4 -2.3

В работе проведено исследование электрического сопротивления тканей для защиты от ЭМИ, так как в Техническом регламенте о безопасности средств индивидуальной защиты для защитных костюмов от ЭМИ определяется именно этот показатель, а коэффициент ослабления не учитывается. Электрическое сопротивление определялось на приборе ИЭСТП-1. Результаты приведены на рис. 4.

К'илмчктм стирок

• •ЯЫППЛ »21«ТНИ1Л «ДО США •На»-т

Рисунок 4 — Зависимость результатов определения электрического сопротивления тканей от количества стирок

Изменение электрического сопротивления от количества стирок снижается по экспоненциальному закону следующего вида

У=ае"Ьх,

где у - электрическое сопротивление, Ом; х - количество стирок; а, Ь - расчетные коэффициенты.

Можно отметить, что наименьшие изменения наблюдаются у ткани Барьер, выработанной с решеткой из микропровода. Он не разрушается в процессе стирок при механических воздействиях.

Коэффициент ослабления определялся в соответствии с разработанными вторым и третьим методами. В табл. 3 представлены результаты определения коэффициента ослабления ЭМИ тканей специального назначения.

Таблица 3 — Результаты определения коэффициента ослабления ЭМИ тканей специального назначения, дБ

Количество стирок Ткани

77-046-Х "Барьер 5083 DELA 2167 HERA 2195 DELIA Hera-FRT

1 ГГц ЮГГц 1 ГГц ЮГГц 1 ГГц ЮГГц 1 ГГц ЮГГц 1 ГГц ЮГ

0 -28,5 -27,9 -28,5 -13,8 -12,6 -7,3 -17,3 -8,5 -15,4 -9,5

1 -29,5 -29,4 -29,5 -14,5 -13,5 -8,5 -18,6 -9,8 -16,4 -и,

5 -30,9 -30,5 -30,9. -15,3 -14,6 -9,3 -19,5 -10,2 -17,4 -12,

10 -31,5 -31,8 -31,5 -16,7 -15,8 -10,5 -20,5 -11,8 -18,6 -13,

25 -33,9 -32,8 -33,9 -17,8 -17,8 -И.7 -22,8 -12,6 -19,9 -13,

50 -34,7 -33,7 -34,7 -18,8 -18,5 -12,6 -23,7 -13,5 -22,5 -14,

Можно отметить, что снижение защитных свойств происходит по логарифмическому закону. Наличие решетки из микропровода оказывает влияние на величину коэффициента ослабления.

Пятая глава посвящена расчету характеристик надежности тканей для защиты от ЭМИ. Расчет включал определение вероятности отказов и безотказной работы, а также интенсивности отказов.

В работе приведены характеристики надежности по разрывной и раздирающей нагрузкам, электрическому сопротивлению и коэффициенту ослабления ЭМИ ткани Барьер после многократных стирок. Можно отметить, что интенсивность отказов после 50 стирок возрастает почти в 1,5 раза.

В качестве примера на рис. 5 приведен график для интенсивности отказов коэффициента ослабления ЭМИ.

Коэффициент пропускания, дБ

♦ О стирок ■ 1 стирка А 5 стирок "10 стирок "25 старо* —50 стирок

Рисунок 5 - График для интенсивности отказов коэффициента ослабления

ЭМИ

В шестой главе разработан метод прогнозирования физико-механических свойств тканей для защиты от ЭМИ с учетом количества стирок и параметров строения.

В качестве примера представлен расчет коэффициента ослабления. Функциональная зависимость коэффициента ослабления тканей после многократных стирок:

^осл СП ~ /(^ОМ

где К ея - коэффициент ослабления ткани, подвергавшейся многократным стиркам, дБ; К еа ыа ~ коэффициент ослабления ткани, не подвергавшейся воздействиям, дБ; N - количество стирок; Ло - средний (базовый) диапазон частот, Ао=ЮГГц; А| - дополнительный диапазон частот, ГГц; а0 - размер сквозных пор по основе до стирок, мм; Ьо - размер сквозных пор по утку до стирок, мм; ает - размер сквозных пор по основе после стирок, мм; Ьст -размер сквозных пор по утку после стирок, мм; а =100/Ло-<4 Ь =100/Ях-</„; </„ ёу - расчетный диаметр по основе и утку соответственно, ми; Па- плотность ткани по основе, число нитей/10 см; Пу- плотность ткани го утку, число нитей/10 см; до, ¿у - средняя плотность нитей основы и утка соответственно, мг/мм5; 5о - площадь сечения волновода принимаемого за базовый, размером 23х 10 мм; 5| - площадь сечения дополнительного волювода, размером 1бх8мм.

Безразмерный показатель, характеризующий изменение коэффициента ослабления тканей после стирок:

в

к.

осп ст уу =

Л) ' ^о • ао ' К

Формула для расчета т| при трех комплексах, оказывающих влияние на разрывную нагрузку, примет вид:

Л = Ч\П2

>

где г| 1 - безразмерный показатель, характеризующий влияние факторов стирки; т|2- безразмерный показатель, характеризующий переплетение нитей основы и утка и структурные характеристики тканей.

Зависимость для т^ при усредненных значениях ^ ^ °ст ^т

\ • 50 ■ а0 ■ Ь0

Ц]={(^) = 0,964 ■е{~0-00Щ Зависимость для х\г при усредненных значениях N

УУас,'Ья

ц2 = f

V У "ао "Ч У

^-о ' ' ао • Ьр

0,946^'8''а""Ь"+0,035

'^0 -ао

Формула для расчета коэффициента ослабления

^•ося ст =28,71-К

•(о,

964-е1"

^-0 • • а0 • Ьр

, Я., • Э, • аст • Ь,

Формула справедлива для 0<Ы<50; 0,50<

0,946

'■о '^0 "а0 " и0 УУа^Ь

\ ' $0 ' ао ' Ь0

0,035 <0,83.

Также получена формула для прогнозирования разрывной нагрузки: а. =1,32-ая •(-0,0027^ + 0,992).

'Л ТЛ ДЛ Т0П0

Формула справедлива для 0<ГчГ<50; 0,5< <2,00.

к Л, топо

Формула для прогнозирования раздирающей нагрузки: Рш = 1,33 ■ Риа • (-0,0035ЛГ + 0,090)

'Л ТуПу

ДЛ топа

1,316 '°*у ТуПу -0,0165

т0п0

Формула справедлива для 0<Ы<50; 0,5<

ЫЬ. <2,00.

ТоПо ~

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Анализ научно-технической литературы по исследованиям влияния электромагнитного излучения на организм человека показал актуальность проведенного в работе исследования.

2. Установленная номенклатура показателей качества позволяет внести изменения в стандарты по безопасности труда. Основными защитными показателями являются ослабление электромагнитного и электрического полей, гигиеническими - воздухопроницаемость и влагоотдача, эксплуатационными — усадка после стирки и устойчивость окраски к стирке, трению, глажению, поту и свету, технологическими — поверхностная плотность и жесткость при изгибе.

3. Разработанные методы определения коэффициента ослабления ЭМИ позволяют сократить материалоемкость испытаний и затраты времени на их проведение.

4. Разработанный стандарт организации позволяет нормировать коэффициент ослабления при разработке нового ассортимента тканей и оценке защитных свойств уже существующих тканей.

5. Выявлено, что наиболее резкое изменение свойств наблюдается у хлопчатобумажной ткани Барьер, так как в процессе стирок она наиболее изнашивается. Наименее изменяются показатели качества у ткани 2167 HERA, содержащей полиэфирные нити и хлопчатобумажную пряжу.

6. Выявлено, что для тканей, не подвергавшихся стиркам, диапазон для вероятностей отказов и безотказной работы является наименьшим. С увеличением количества стирок диапазон расширяется, поэтому использование характеристик надежности при сравнительной оценке свойств тканей для защиты от ЭМИ позволяет получить новую дополнительную информацию об их качестве.

7. Установлено, что с увеличением количества стирок увеличиваются вероятность и интенсивность отказов. В то время как вероятность безотказной работы снижается. Для коэффициента ослабления значения до и после стирок лежат почти в одном диапазоне. Следовательно, количество стирок не значительно влияет на вероятность отказов и безотказной работы. Интенсивность отказов также имеет почти одинаковый диапазон. Однако для других показателей количество стирок снижает вероятность безотказной работы и увеличивает вероятность и интенсивность отказов.

8. Полученные модели для прогнозирования разрывной и раздирающей нагрузки, а также электрического сопротивления позволяют сократить затраты на разработку нового ассортимента и материалоемкость при проведении испытаний.

1. Основное содержание диссертации изложено в печатных работах:

Статьи в журнале из перечня ВАК.

1. Никифорова A.A., Давыдов А.Ф. Метод определения коэффициента ослабления тканей для защиты от электромагнитных излучений. // Известия ВУЗов. «Технология текстильной промышленности» № 3 (339), 2012 г.

2. Никифорова А.А, Давыдов А.Ф., Курденкова A.B., Вызова Е.В. Разработка метода оценки коэффициента прохождения электромагнитного излучения тканей специального назначения // Дизайн и технологии, № 36 (78), 2013, с. 55-61

3. Никифорова A.A., Давыдов А.Ф., Курденкова A.B. Оценка коэффициента ослабления электромагнитного излучения (коэффициента экранирования) тканей специального назначения// Дизайн и технологии, № 37 (79), 2013, с.62-67

Материалы научно — технических конференций и статьи:

4. Никифорова A.A., Давыдов А.Ф. Метод измерения коэффициента ослабления электромагнитного поля для тканей специальной одежды для защиты от электромагнитных излучений // Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск -2012) - Иваново: ИГТА, 2012.

5. Никифорова A.A. ., Давыдов А.Ф. Выбор показателей качества безопасности тканей используемых при пошиве спецодежды для защиты от электромагнитных излучений // Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике». ДИТУД (филиал) УлГТУ. - Димитровград, 2012.

6. Никифорова A.A., Давыдов А.Ф., Развитие применения СИЗ от электромагнитного излучения. // «Рабочая одежда и СИЗ» приложение к журналу «Директор» № 3, сентябрь 2011 г.

7. Никифорова A.A., Давыдов А.Ф., Груздева М.А., Спорыхина В.И. Выбор определяющих показателей качества тканей для защиты от электромагнитных излучений // Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2013): сборник материалов межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов. Часть 2. - Иваново: Текстильный институт ФГБОУ ВПО «ИВГПУ», 2013, с. 111-112

8. Никифорова A.A., Давыдов А.Ф., Груздева М.А., Спорыхина В.И. Прогнозирование коэффициента ослабления тканей для защиты от электромагнитных излучений // Сборник научных трудов, посвященный 100-летию со дня рождения Ф.Х. Садыковой, МГУДТ, 2013, с. 31-35

9. Никифорова A.A., Давыдов А.Ф., Спорыхина В.И., Груздева М.А. Разработка метода определения коэффициента ослабления электромагнитного излучения тканей специального назначения// Студенты и молодые ученые КГТУ — производству : материалы 65-й юбилейной межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов. В 2 т. Т. 2. Секции 4-8 / Костромской гос. технол. ун-т. — Кострома : Изд-во Костром, гос. тех-нол. ун-та, 2013, с. 80-81

10. Никифорова A.A., Давыдов А.Ф. Разработка метода определения коэффициента экранирования специальных тканей // Сборник материалов Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», часть 1, Иваново 2013, с. 363-365.

Подписано в печать 10.10.13 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Заказ № 137-Т Тираж 80

Редакционно-издательский отдел МГУДТ 115093, Москва, ул. Садовническая, 33, стр.1

Отпечатано в РИО МГУДТ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии»

На правах рукописи

Г\ ! "Г / / ! Ъ I

и^и I ¿□ч-ойЧ'

НИКИФОРОВА АННА АЛЕКСЕЕВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ИЗЛУЧЕНИЙ

Специальность: 05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и легкой

промышленности

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор Давыдов А.Ф.

Москва 2013

Содержание

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 5

Введение 9

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 10

1.1. Электромагнитное излучение и его природа 10

1.2. Влияние ЭМИ на организм человека 11

1.3. Производственные электромагнитные излучения и защита от них 14

1.4. Нормирование ЭМИ 16

1.5. Радиочастотные электромагнитные излучения 25

1.6. Защита от ЭМИ 27

1.7. Ассортимент тканей для защиты от ЭМИ 32

1.8. Технический регламент Таможенного союза « О безопасности средств индивидуальной защиты» 38

1.9. Метод определения защитных свойств тканей для защиты от ЭМИ 42

1.10. Износ текстильных полотен от стирок 50 Выводы по главе 59 ГЛАВА 2. ВЫБОР И НОМЕНКЛАТУРА ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ТКАНЕЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ 62

2.1. Выбор определяющих показателей качества тканей для защиты

от электромагнитных излучений 62

2.2. Выбор номенклатуры показателей качества тканей для защиты

от ЭМИ 69 Выводы по главе . 71 ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ ЭМИ ДЛЯ ЗАЩИТНЫХ ТКАНЕЙ 72

3.1. Оценка коэффициента ослабления электромагнитного излучения (коэффициента экранирования) тканей специального назначения (метод 1) 72

3.2. Оценка коэффициента ослабления электромагнитного излучения (коэффициента экранирования) тканей специального назначения (методы 2 и 3) 74

3.3. Характеристика объектов исследования 82

3.4. Результаты определения коэффициента ослабления электромагнитного излучения через ткани для защиты от ЭМИ 84 Выводы по главе 89 ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МНОГОКРАТНЫХ СТИРОК НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭМИ 90

4.1. Исследование влияния многократных стирок на изменение линейных размеров тканей для защиты от ЭМИ 90

4.2. Исследование влияния многократных стирок на воздухопроницаемость тканей для защиты от ЭМИ 92

4.3. Исследование влияния многократных стирок на жесткость при изгибе тканей для защиты от ЭМИ 93

4.4. Исследование влияния многократных стирок на разрывные характеристики тканей для защиты от ЭМИ 94

4.5. Исследование влияния многократных стирок на раздирающую нагрузку тканей для защиты от ЭМИ 98

4.6. Исследование влияния многократных стирок на электрическое сопротивление тканей для защиты от ЭМИ 100

4.7. Исследование влияния многократных стирок на коэффициент ослабления ЭМИ тканей специального назначения 101 Выводы по главе 103

ГЛАВА 5. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК НАДЕЖНОСТИ ТКАНЕЙ 105 ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭМИ

5.1. Расчет характеристик надежности по разрывной нагрузке тканей для защиты от ЭМИ 105

5.2. Расчет характеристик надежности по раздирающей нагрузке тканей для защиты от ЭМИ 113

5.3. Расчет характеристик надежности по электрическому сопротивлению тканей для защиты от ЭМИ 119

5.4. Расчет характеристик надежности по коэффициенту ослабления тканей для защиты от ЭМИ 125 Выводы по главе 131 ГЛАВА 6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТКАНЕЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭМИ 132 6.1. Прогнозирование изменения разрывной нагрузки специальных тканей после действия многократных стирок 132 6.2 Прогнозирование изменения раздирающей нагрузки специальных тканей после действия многократных стирок 137 6.3. Прогнозирование коэффициента ослабления тканей специального назначения после действия многократных стирок 142 Выводы по главе 146 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 148 Литература 152 Приложение 163

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В условиях развития научно-технического прогресса, различных видов энергетики, а также промышленности, электромагнитные излучения (ЭМИ) занимают ведущее место среди факторов воздействия на окружающую среду.

В целом общий электромагнитный фон состоит из источников естественного (электрические и магнитные поля Земли, радиоизлучения Солнца и галактик) и искусственного (антропогенного) происхождения (телевизионные антенны и радиостанции, линии электропередачи, электробытовая техника, промышленное оборудование). ЭМИ воздействует на четыре системы организма человека, наиболее подверженные действию электромагнитного излучения: нервную, иммунную, эндокринную и половую. Отсюда весьма широкий диапазон заболеваний — от функциональных расстройств нервной системы до развития опухолей и лейкозов.

В качестве защитных материалов при воздействии ЭМИ используются листовая сталь, фольга и текстильные материалы, содержащие металлические нити и волокна. В промышленных условиях для защиты от ЭМИ используются специальные костюмы. Основную защитную функцию этих костюмов выполняют специальные ткани. Поэтому, разработка методов сравнительной оценки является актуальной задачей при исследовании тканей для защиты от ЭМИ.

Цель и задачи исследования

Целью данной работы являлся выбор показателей, разработка нормативной документации методов оценки качества и безопасности тканей для костюмов для защиты от электромагнитных излучений.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

анализ научно-технической литературы по влиянию электромагнитного излучения на организм человека;

анализ нормативной документации на методы определения коэффициента ослабления на электромагнитное излучение;

разработка методов оценки коэффициента ослабления тканей для защиты от электромагнитных излучений;

выбор определяющих показателей качества тканей для защиты от электромагнитного излучения;

исследование влияния многократных стирок на физико-механические свойства тканей для защиты от электромагнитных излучений;

разработка методов прогнозирования разрывной и раздирающей нагрузки, коэффициента ослабления тканей для защиты от электромагнитных излучений;

оценка характеристик надежности тканей для защиты от электромагнитных излучений.

Методы исследования

Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартных методов в лабораторных условиях. Для обработки результатов эксперимента в исследованиях использовались численные методы прикладной математики и математической статистики. В качестве теоретической основы применялись теория подобия и анализа размерностей, а также теория надежности. Построение функциональных зависимостей осуществлялось методами корреляционно-регрессионного анализа на ЭВМ с помощью программ Microsoft Excel и MathCAD. Для обработки графических изображений применялась программа Photoshop.

Научная новизна работы

При проведении теоретических и экспериментальных исследований автором впервые:

- предложен метод определения коэффициента ослабления ЭМИ при частоте до 1 ГГц;

- разработан метод определения коэффициента ослабления ЭМИ при частоте свыше 1 ГГц;

- разработан метод прогнозирования и получены математические зависимости разрывной и раздирающей нагрузки тканей для защиты от ЭМИ, устанавливающих взаимосвязь между параметрами строения и количеством стирок на основе теории подобия и анализа размерностей;

- рассчитаны характеристики надежности тканей для защиты от ЭМИ по показателям: разрывная и раздирающая нагрузка, электрическое сопротивление и коэффициент ослабления ЭМИ.

Практическая значимость работы заключается в том, что

- разработанные методы определения коэффициента ослабления при разных частотах позволяют оценить безопасность костюмов для защиты от ЭМИ при сертификационных испытаниях, научных исследованиях и лабораторных методах контроля;

- определена номенклатура показателей качества, которая может являться основой технических регламентов Таможенного союза для защитной одежды от ЭМИ;

- разработанный стандарт организации может быть использован на предприятиях, имеющих риски от излучения и на швейных предприятиях, осуществляющих пошив одежды для защиты от ЭМИ;

- полученные на основе теории подобия и анализа размерностей математические зависимости могут быть использованы при проектировании тканей для специальной одежды для защиты от ЭМИ

Результаты исследований могут быть использованы на текстильных

предприятиях при проектировании тканей для защиты от ЭМИ, что позволит

значительно сократить сроки и затраты на разработку нового ассортимента.

Апробация работы

Основные результаты научных исследований докладывались и получили положительную оценку на

1. Международной научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск - 2012)», Иваново: ИГТА, 2012

2. Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике». ДИТУД (филиал) УлГТУ, Димитровград, 2012

3. Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2013, Иваново, Текстильный институт ФГБОУ ВПО «ИВГПУ», 2013

4.65-й юбилейной межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству», Кострома, КГТУ, 2013

5. Заседании кафедры текстильного материаловедения ФГБОУ ВПО «МГУДТ»

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа выполнена на 173 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 36 таблиц, список литературы из 106 наименований, приложения.

Введение

Практически любой вид деятельности содержит в себе ряд факторов, отрицательно влияющих на здоровье человека. Это контакт с вредными химическими веществами и примесями, шум и загрязнение воздуха, неблагоприятные температурные условия.

Грамотно разработанный комплекс мер по защите здоровья и жизни человека в условиях промышленного и других видах производств позволит свести воздействие неблагоприятных факторов к минимуму. Важной составляющей этого комплекса является обеспечение работников спецодеждой, спецобувью и средствами индивидуальной защиты. Все это стало возможным при появлении тканей специального назначения. Ткани специального назначения стали незаменимы во всех отраслях нашей жизни, в том числе и для ее защиты в процессах производства.

Область использования тканей специального назначения для защиты огромна. Это морозоустойчивые, водонепроницаемые, химзащитные костюмы, термозащитная одежда, защита от электромагнитных излучений и многое другое.

Именно из-за большой области применения текстильных материалов в качестве защиты необходимо повышенное внимание к качеству данных материалов и изделиям из них, а также необходима разработка методов по определению качества. Прежде чем доверять текстильным материалам свое здоровье или даже свою жизнь необходима уверенность в их надежности.

Таким образом, целью данной работы являлся выбор показателей, разработка нормативной документации методов оценки качества и безопасности тканей для костюмов для защиты от электромагнитных излучений.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Электромагнитное излучение и его природа

Электромагнитное излучение (ЭМИ) - это вид энергии, представляющей электромагнитные волны, возбуждаемые различными излучающими объектами. Электромагнитные волны возникают при электрических и магнитных вибрациях атомов, то есть движущимися с ускорением электрическими зарядами и имеют широкий диапазон частот. Различные материалы пропускают электромагнитные волны с различной скоростью.

В зависимости от длины волны различают гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания [1].

Для всех типов электромагнитных волн скорость распространения в свободном пространстве одинакова, однако число колебаний в единицу времени меняется достаточно широко [2].

В современной физике используются две теории: теория электромагнитного поля Максвелла и теория запаздывающего дальнодействия. Чаще всего выбор делается в пользу первой, так как теория запаздывающего дальнодействия не отвечает на вопрос, где находится энергия, которую уже излучил источник, но еще не принял приемник. По теории Максвелла, источник передает энергию электромагнитной волне, в которой она и находится, пока не будет передана поглотившему волну приемнику. При этом на каждом этапе соблюдается закон сохранения энергии.

Таким образом, было установлено, что электромагнитные волны обладают энергией, а также импульсом. [2-4].

На естественный электромагнитный фон оказывают влияние такие источники электромагнитных излучений, как воздушные линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, технические средства радиовещания, телевидения, радиорелейной и спутниковой связи, радиолокационные и навигационные системы, лазерные маяки и др. На значительных территориях напряженность электрических и магнитных полей возросла от двух до

пяти порядков, создавая повышенную опасность для людей, животных и растений.

Биологически значимыми являются техногенные электрические поля частотой 50 Гц, создаваемые воздушными линиями и подстанциями, Напряженность магнитных полей промышленной частоты в местах размещения воздушных линий и подстанций сверхвысокого напряжения на 1-3 порядка превышает естественные уровни магнитного поля Земли. Высокие уровни электромагнитных излучений (ЭМИ) наблюдаются на территориях, а нередко и за пределами размещения передающих радиоцентров низкой, средней и высокой частоты.

На окружающую среду воздействуют радиопередающие устройства связи (автомобильные, портативные и ручные радиостанции и радиотелефоны), телевидение, радиолокационная, компьютерная и бытовая электротехника, а также трамваи и электропоезда.

Обзор существующих представлений о биологической активности электромагнитного излучения позволяет выделить два основных подхода к этой проблеме: первый — связан с представлением об энергетическом взаимодействии, второй — с анализом информационного взаимодействия с элементами биологической системы [1-4].

1.2. Влияние ЭМИ на организм человека

В результате развития научно-технического прогресса электромагнитные излучения (ЭМИ) занимают одно из первых мест по своей экологической и производственной значимости среди факторов, негативно воздействующих на окружающую среду.

Общий электромагнитный фон состоит из источников естественного (электрические и магнитные поля Земли, радиоизлучения Солнца и галактик) и искусственного (антропогенного) происхождения (телевизионные антенны и радиостанции, линии электропередачи, электробытовая техника). За по-

следние годы в городах резко увеличивается количество разнообразных источников ЭМИ, воздействующих на всем частотном диапазоне. Это системы сотовой связи, радары ГИБДД, новые телеканалы и десятки радиовещательных станций [5-6].

Бытовые приборы также создают электромагнитные поля, которые негативно воздействуют на организм человека. В результате большое количество людей обращается в лечебные учреждения с жалобами на общую слабость и недомогание, причиной которых являются электромагнитные поля [5-6].

Существуют природные и бытовые электромагнитные поля. К природным относятся грозовые разряды, магнитное и электрическое поле земли. Бытовые возникают при пользовании бытовой техникой или приборами радиоэлектроники. Именно эти поля оказывают на организм человека значительное влияние.

Воздействие ЭМИ на человека зависит от следующих факторов:

1) частота колебаний (!};

2) значения напряженности эл. и магнитных полей (до 300 МГц) и плотности потока энергии (СВч, ИКИ и тд) - речь о силе воздействия;

3) размеры облучаемой поверхности тела;

4) индивидуальные особенности организма;

5) комбинированные действия с другими факторами среды

Воздействие ЭМИ может быть 2-х видов:

1)тепловое

2) специфическое.

Специалисты выделяют четыре системы, наиболее подверженные действию электромагнитного излучения: нервную, иммунную, эндокринную и половую. Отсюда весьма широкий диапазон заболеваний — от функциональных расстройств нервной системы до развития опухолей и лейкозов. Электромагнитное излучение может являться причиной так называемого синдрома хронической усталости.

Американские и шведс�