автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка технологии изготовления трикотажных изделий для биомониторинга

На правах рукописи

004617916

Романова Анна Владимировна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРИКОТАЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ БИОМОНИТОРИНГА

Специальность 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з

Санкт-Петербург-2010

004617916

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Баранов Андрей Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент ГГримаченко Борис Макарович

кандидат технических наук Кис Надежда Михайловна

Ведущая организация

ООО «Андовер», г. Санкт-Петербург

Защита состоится 27 декабря 2010 г. В 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.236.01 при Санкт-Петербургско: государственном университете технологии и дизайна по адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 18, ауд. 241.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургског государственного университета технологии и дизайна по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д.18. Автореферат размещен г сайте www.sutd.ru

Автореферат разослан «26» ноября 2010г.

Ученый секретарь диссертационного со

)(£$■-А.Е.Рудин

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Одним из инновационных направлений в трикотажном производстве является создание одежды для биомониторинга. Использование текстиля в новом качестве, в сочетании с различными другими материалами, дает возможность получения новой продукции. Внедренные в одежду различными способами электроды и чувствительные элементы позволяют наблюдение наиболее важных параметров физиологического состояния человека на протяжении длительного времени. Дети, люди пожилого возраста, а так же лица, чья профессиональная деятельность связана с экстремальными физическими и психологическими нагрузками (военные, сотрудники МЧС, спортсмены и др.) являются потенциальными потребителями таких изделий.

Создание «биометрической» одежды для непрерывного персонального наблюдения основных жизненных функций человека связано с решением широкого круга технических задач. К таким задачам относится выбор сырья для датчиков, которое может перерабатываться на текстильном оборудовании и обладать необходимыми физико-техническими характеристиками, технология изготовления, конструкция изделий. Одежда для биомониторинга должна содержать в своей конструкции электроды, первичные датчики и чувствительные элементы для регистрации основных физиологических параметров.

Цель и задачи исследований.

Целью работы является разработка трикотажных электродов и чувствительных элементов для динамического наблюдения параметров физиологического состояния человека, а так же способов их внедрения в трикотажное изделие.

Сформулированная цель достигнута решением следующих задач:

- изучить опыт изготовления и применения изделий для биомониторинга;

- разработать метод биомониторинга с использованием интегрированных текстильных трикотажных электродов и чувствительных элементов в конструкцию нательных бельевых изделий.

сформулировать физико-технические требования, предъявляемые к трикотажным изделиям для биомониторинга;

- исследовать возможность использования трикотажа из металлосодержащей пряжи в качестве электродов и чувствительных элементов;

- исследовать влияние петельной структуры на электропроводящие свойства

- определить влияние технологических параметров на электропроводящие свойства

- выбрать оптимальную петельную структуру для выработки трикотажных электродов ЭКГ;

- разработать трикотажный чувствительный элемент для датчика дыхательных усилий;

- сформулировать требования к петельной структуре изделия с улучшенными эксплуатационными свойствами;

- разработать петельную структуру с улучшенными эксплуатационными свойствами для изделий, применяемых в биомониторинге;

- провести сравнительный анализ динамики влагопоглощения трикотажных полотен;

- разработать способ интегрирования электропроводящих сенсоров в трикотажное изделие;

- разработать способ крепления контактов к электродам;

- спроектировать и выработать изделия для крепления внешних датчиков, изделия с интегрированными датчиками для снятия сердечного ритма, изделия с интегрированными электродами ЭКГ

- провести натурные испытания;

Методы и средства исследований.

Разработка физико-технических требований к трикотажным электродам и чувствительным элементам основывалась на анализе научных и патентных источников в соответствующей области, а также экспериментальных исследованиях, проведенных совместно со специалистами Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета.

В исследованиях свойств текстильных электродов и чувствительных элементов, разработке структур переплетений и технологии производства изделий для биомониторинга применялись как теоретические, так и экспериментальные методы с использованием основ технологии трикотажного производства, текстильного материаловедения.

Постановка и проведение экспериментов осуществлялась с помощью математических методов планирования, современных электронно-измерительных приборов. Обработка экспериментальных данных производилась с использованием современных компьютерных программ.

Научная новизна. В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана концепция длительного динамического биомониторинга с использованием бельевых изделий с интегрированными трикотажными электродами и чувствительными элементами.

2. Научно обоснована возможность применения трикотажа из металлосодержащей пряжи в качестве электродов и чувствительных элементов в изделиях для биомониторинга.

3. Выявлено влияние петельной структуры и технологических показателей трикотажа из металлосодержащей пряжи на его электрофизические характеристики.

4. Определена анизотропия электропроводности трикотажа из металлосодержащей пряжи.

5. Выявлено влияние влагосодержания трикотажа на его электрофизические характеристики.

Практическая ценность работы.

Предложены структуры и технологические параметры трикотажных электродов ЭКГ и чувствительных элементов датчиков дыхательных усилий из металлосодержащей пряжи.

Разработаны изделия для внешнего крепления различных устройств мониторинга, предназначенные для специальных условий эксплуатации.

Разработаны изделия с ввязанными трикотажными электродами и чувствительными элементами адаптированные к использованию со стандартными регистрирующими устройствами спортивного и медицинского назначения.

Выработанная опытная партия изделий использовалась ОКР: «Разработка и изготовление комплекта аппаратуры биологического мониторинга человека». Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» (Дни науки), Санкт-Петербург, 2008.

- Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК -2009), Иваново, 2009г.

Работа была отобрана по программе Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «УМНИК-2009» - «Участник молодежного научно-инновационного конкурса».

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав с выводами, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на 138 страницах, имеет 60 рисунка, 24 таблиц, список литературы включает 53 наименований, 2 приложений представлены на 12 страницах.

Содержание работы

Во введении дана краткая характеристика темы, обоснована ее актуальность, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе рассмотрены современные системы длительного динамического мониторинга физиологического состояния человека, произведен анализ ассортимента применяемых текстильных изделий для биомониторинга медицинского, спортивного и специального назначения, изучен опыт мировых исследовательских проектов, направленных на разработку «умного текстиля».

На основании анализа научной и патентной литературы можно сделать вывод, что совмещение систем контроля физиологических параметров с одеждой является наиболее удобным решением проблемы биомониторинга. При этом необходима максимальная интеграция электродов и чувствительных элементов в структуру изделий. Известно применение нескольких способов интеграции:

- прикрепление электродов и чувствительных элементов с применением швейных операций и приклеивания;

- получение сенсорного материала путем нанесения на готовое трикотажное изделие электропроводящих нанопокрытий;

- нанесение пленки из электродного полимера с применением технологии

трафаретной печати;

- ввязывание трикотажных электродов и чувствительных элементов.

Применение трикотажных электродов и чувствительных элементов открывает новые возможности в изготовлении комфортных биометрических изделий. Однако, настоящее время они не получили широкого распространения, так как сложная петельная структура накладывает ряд особенностей на их свойства, которые пока мало изучены.

Наиболее важными параметрами, отражающими физиологическое состояние человека, является характеристики сердечно-сосудистой деятельности и дыхания. На основании анализа медицинских систем мониторинга выявлены физико-технические требования к электродам ЭКГ и чувствительному элементу датчика дыхательных усилий.

Физико-технические требования к трикотажным электродам ЭКГ:

- полное электрическое сопротивление электрода К < 1-5-100 кОм;

- время готовности не более 15 мин;

- время непрерывного контактирования не менее 24 ч.

Физико-технические требования к чувствительному элементу датчика дыхательных усилий:

- полное электрическое сопротивление элемента Ы <100 кОм;

- чувствительность Б > 0,2 Ом/см.

Во второй главе приведены исследования электрофизических и эксплуатационных свойств электропроводящего трикотажа, используемого в качестве электродов и чувствительных элементов.

В главе определены электрофизические характеристики металлосодержащей пряжи. Исследование механических свойств пряжи, таких как жесткость и прочность, показали, что выбранная пряжа может успешно перерабатываться на трикотажном оборудовании.

Процесс прохождения электрического сигнала через структуру трикотажа относительно нестабилен и трудно прогнозируем, поэтому важным вопросом является выбор структуры трикотажа и технологических параметров для вязания электропроводящих элементов. Для оценки электропроводящих свойств трикотажа были выбраны главные переплетения: кулирная гадь, ластик 1+1, ластик 2+2, а так же комбинированные переплетения: «репс», «валик», сочетающие в своей структуре элементы кулирной глади и ластика.

Исследовалось полное электрическое сопротивление образцов, выработанных выбранными переплетениями с тремя уровнями плотностей. Уровни плотности варьировались заданием разной глубины купирования, исходя из технологических возможностей выбранного оборудования (плосковязальный автомат СМ8-320.6, ЭшП). Выявлено, что выбор переплетения и технологических параметров влияет на значение полного электрического сопротивления, причем с увеличением плотности значение сопротивления уменьшается (рисунок 1).

Рисунок 1- сравнительная диаграмма полного электрического сопротивления электропроводящего трикотажа. Полученные значение электрического сопротивления позволяют предположить, что структурные ячейки кулирной глади и ластика в структуре по-разному влияют на электропроводящие свойства. Предложено два критерия, позволяющих оценивать и сравнивать разные переплетения с точки зрения элементов структуры и плотности:

Х1 = пк /(п£+пл), где пк - количество структурных ячеек кулирной глади в переплетении, пл— количество структурных ячеек ластика в переплетении. Х2 = 8/(пк+пл), где Б - площадь замеряемого образца.

Получена аналитическая модель, характеризующая влияние критериев XI и Х2 на электрическое сопротивление (У) (рисунок 2):

Г(Х1,Х2)= - 4,81X1 - 0,66X2 + 9,06ХГ' + 0,4Ш2+ 0А6Х1Х2 - 3,73

Трикотажный чувствительный элемент для датчика дыхательных усилий должен работать по принципу датчика деформации, поэтому наиболее важным параметром для него является чувствительность, равная изменению электрического сопротивления при растяжении на единицу длины. Получена величина чувствительности при 10% удлинении (рисунок 3).

25,00п 20,00- g 15,00£ О 10,005,00- 11

j

«в* ЙШ Ш Ш *...■ ШШ :: :: - ■ Г

0 00 кулирная гладь ластик 1+1 ластик 2+2 "репс" "валик"

РЗ максимальная плотность 0,49 4,33 0,51 0,95 0,14

ЕП5 средняя плотность 0,54 5,80 0,58 1,60 0,27

0 минимальная плотность 0,98 22,03 0,52 4,70 0,26

переплетение

Рисунок 3 — сравнительная диаграмма чувствительности электропроводящего трикотажа.

Все исследуемые образцы электропроводящего трикотажа удовлетворяют заданным физико-техническим требованиям, но кроме чувствительности используемая для чувствительного элемента трикотажная структура должна иметь минимальную остаточную деформацию при многоцикловых нагрузках.

Испытания, проводимые на разрывной машине Zwick 1455 при нагрузке 250сН, показали, что наименьшим накоплением компоненты остаточной деформации обладают образцы, выработанные переплетением Ластик 2+2.

Для оценки зависимости электропроводящих свойств от геометрических характеристик трикотажной структуры был проведен эксперимент, в котором определялось полное электрическое сопротивление вдоль и поперек образцов, выполненных переплетениями: кулирная гладь, комбинированное переплетение «репс», комбинированное переплетение «валик». Из результатов, представленных в таблице 1 видно, что кулирные трикотажные переплетения имеют ярко выраженную анизотропию электропроводящих свойств.

Таблица 1 - Исследование зависимости электропроводящих свойств трикотажа от геометрических характеристик структуры.__

Переплетение R, кОм Вдоль петельных рядов R, кОм Вдоль петельных столбиков

кулирная гладь 0,68 630,00

«репс» 1,74 287,00

«валик» 0,94 209,00

Проведен анализ влияния размеров электродов на электрическое сопротивление в диапазоне 2, 4, 6 см по ширине и длине, получена регрессионная зависимость:

Я =-0,089+ 0,055/,

где: Я - полное электрическое сопротивление, /- длина образца. Было выявлено, что ширина образца не влияет на полное электрическое сопротивление в исследуемом диапазоне.

В работе проведены исследования влияния воздействия влаги и процесса стирки на электрофизические свойства.

Проведенные во второй главе исследования доказывают, что трикотажные электроды и чувствительные элементы могут успешно использоваться для различных биометрических исследований.

Третья глава посвящена разработке трикотажа с улучшенными эксплуатационными свойствами для биомониторинга.

Сформулированы требования, предъявляемые к трикотажу с улучшенными эксплуатационными свойствами:

- минимизация влияния внешних температурных воздействий;

- эффективный влагоперенос;

- оптимальные значения воздухопроницаемости;

- возможность использования различных видов сырья с учетом условий эксплуатации и индивидуальных особенностей организма.

В производстве трикотажа с улучшенными эксплуатационными свойствами наиболее часто применяют следующие переплетения:

- кулирная гладь, которая характеризуется низкой материалоемкость и себестоимостью производства;

- ластик 1+1 и ластик 2+2, благодаря их упругим свойствам;

- комбинированные переплетения.

В работе предложено двухслойное комбинированное переплетение, графическая запись которого представлена на рисунке 4.

Благодаря выбранному технологическому решению одна сторона имеет гладкую поверхность, представляющую собой кулирную гладь, а другая рельефную, с образованием «тепловых ячеек». Такая структура позволяет сочетать разные виды сырья для внешнего и внутреннего слоя изделия.

Для сравнительного эксперимента

эксплуатационных и теплозащитных свойств были выработаны образцы, в которых слои трикотажа Рисунок 4 - графическая образованы из хлопчатобумажной, льносодержащей, запись переплетения вискозной пряж и полиамидной комплексной нити в различных сочетаниях.

Критерием для оценки эксплуатационных свойств трикотажа предложено использовать динамику водопоглощения (В), математическая модель которой имеет вид:

/(0 = а( 1-е-ы)

Я.......Я......я.....я......

-у-у-уу

^^

Данная функция явдяется аппроксимацией к зависимости водопоглощения от времени, полученной на основе экспериментальных данных (рисунок 5).

600 ■ '/•'}'"

г

о о*®—

Рисунок 5 - зависимость водопоглощения от времени.

Коэффициент (а) отражает максимальное количество поглощаемой влаги, т.е уровень насыщения. Производная от функции по времени будет отражать характер ее изменения или, в нашем случае, скорость изменения величины водопоглощения во времени:

-ы

дЬ

Полученная зависимость показывает, что скорость изменения величины влагопоглощения зависит от коэффициента (Ь), который характеризует темп насыщения. Из выражения видно, что чем выше коэффициент (Ь), тем быстрее идет процесс водопоглощения, при этом скорость уменьшается со временем и стремиться к нулю, достигая состояния насыщения (рисунок 6).

Рисунок 6 - скорость изменения величины водопоглощения во времени.

Полученные в результате исследований коэффициенты предоставляют возможность ранжировать трикотажные полотна для производства термобелья по скорости и по уровню максимального водопоглощения, а также с учетом конкретных условий эксплуатации и физиологических особенностей организма, например, реакции кожного покрова на то или иное сырье, позволяют оптимально подобрать вид пряжи для лицевой и изнаночной сторон (таблица 2).

Таблица 2 - коэффициенты уравнения динамики водопоглощения.

№ Сторона трикотажа Состав сырья Поверхностная плотность г/м3 коэффициенты уравнения динамики водоглощения

а Ьв

1 гладкая вискозная пряжа 785 205 0,305

рельефная вискозная пряжа 193 0,274

2 гладкая полиамидная нить 385 270 0,024

рельефная льносодержащая пряжа 254 0,096

3 гладкая х/б пряжа 555 81 0,008

рельефная льносодержащая пряжа 114 0,024

4 гладкая х/б пряжа 395 174 0,076

рельефная полиамидная нить 136 1,319

5 гладкая полиамидная нить 490 209 1,608

рельефная вискозная пряжа 182 1,453

6 гладкая х/б пряжа 570 69 0,010

рельефная х/б пряжа 54 0,023

7 гладкая льносодержащая пряжа 285 285 0,093

рельефная полиамидная нить 280 0,277

8 гладкая льносодержащая пряжа 445 178 0,065

рельефная льносодержащая пряжа 156 0,056

9 гладкая вискозная пряжа 645 156 1,058

рельефная х/б пряжа 57 0,019

10 гладкая вискозная пряжа 445 255 0,233

рельефная полиамидная нить 254 0,274

11 гладкая льносодержащая пряжа 525 180 0,194

рельефная вискозная пряжа 188 1,240

12 гладкая полиамидная нить 275 598 2,328

рельефная полиамидная нить 597 1,400

изнаночная

В главе были исследованы теплофизические характеристики полученных трикотажных полотен и произведен сравнительный анализ эксплуатационных свойств с полотнами ведущих фирм производителей «термобелья».

Четвертая глава посвящена разработке трикотажных изделий для биомониторинга различного назначения.

Спроектировано и изготовлено на плосковязальном автомате модели СМ8-320.6 фирмы БиэИ три изделия для биомониторинга:

-майка для внешнего крепления различных устройств мониторинга, предназначенная для специальных условий эксплуатации;

- джемпер спортивного назначения с ввязанными электродами, адаптированный к использованию с монитором сердечного ритма;

- майка с ввязанными электродами, предназначенная для непрерывного динамического мониторинга ЭКГ, адаптированная к использованию с комплексом Холтеровского мониторирования КМкн-«Союз»-«ДМС» (Россия).

Майка для внешнего крепления устройств мониторинга имеет в своей структуре вывязанные отверстия и каналы для прокладывания проводов (рисунок 7). Майка с прикрепленными электродами, датчиками и приборами регистрации представляет собой полную систему дистанционного мониторинга физиологического состояния человека. Такая система рекомендована для использования в профессиональной деятельности, связанной с

экстремальными физическими и психологическими нагрузками. *

/

Рисунок 7 - майка для внешнего крепления устройств мониторинга, расположение на

теле человека.

Для изготовления деталей трикотажных изделий с ввязанными электропроводящими элементами однопроцессным способом на плосковязальном оборудовании использовалась технология вязания продольно-соединенного трикотажа, которая позволяет вырабатывать детали, имеющие участки различной петельной структуры и сырьевого состава. Предложен способ получения продольно-соединенного трикотажа без использования специальных интарзийных нитеводов.

Джемпер спортивного назначения с ввязанными электродами предназначен для регистрации сердечного ритма во время физической активности. Проведены натурные испытания, получены параметры сердечного ритма при помощи монитора.

Майка для непрерывного динамического мониторинга ЭКГ имеет пять ввязанных электродов, расположенных в соответствии с системой отведений, рекомендованной комплексом Холтеровского мониторирования КМкн-«Союз»-«ДМС». Проведены натурные испытания, получена электрокардиограмма (рисунок 8). Испытания проводились в естественных условиях на протяжении 1ч. ЗОмин. Качество полученного сигнала - удовлетворительное.

ш *

А. в»

Все программы вязания были разработаны с использованием систем автоматизированного проектирования вшх и М1р1ш (51011).

Общие выводы по работе

1. Разработан метод биомониторинга с использованием интегрированных текстильных трикотажных электродов и чувствительных элементов в конструкцию нательных бельевых изделий.

2. На основании анализа медицинских систем мониторинга выявлены физико-технические требования к трикотажным электродам ЭКГ и чувствительному элементу датчика дыхательных усилий.

3. Определены электрофизические характеристики и механические свойства металлосодержащей пряжи, доказана возможность ее переработки на плосковязальном оборудовании.

4. Исследованы электропроводящие свойства трикотажа из металлосодержащей пряжи, получена аналитическая модель, позволяющая оценить влияние геометрии структуры трикотажа на значение полного электрического сопротивления.

5. На основании исследования чувствительности трикотажа из металлосодержащей пряжи и его деформационных свойств выбрана оптимальная структура и технологические параметры для чувствительного элемента датчика дыхательных усилий.

6. Определена анизотропия электропроводности трикотажа из металлосодержащей пряжи.

7. Исследовано влияние влагосодержания трикотажа из металлосодержащей пряжи на его электрофизические характеристики

8. Доказана возможность использования трикотажа из металлосодержащей пряжи в качестве электродов и чувствительных элементов для различных

биометрических исследований

9. На основании проведенного анализа ассортимента трикотажных изделий с улучшенными эксплуатационными свойствами разработана структура комбинированного двухслойного переплетения, позволяющая сочетать разные виды сырья для внешнего и внутреннего слоя изделия.

10.Предложено математическое описание динамики водопоглощения для сравнительного анализа свойств трикотажных полотен.

11.Проведены исследования теплофизических характеристик разработанных трикотажных полотен и произведен сравнительный анализ эксплуатационных свойств с полотнами ведущих фирм производителей «термобелья».

12.Спроектированы и изготовлены изделия для внешнего крепления различных устройств мониторинга, предназначенные для специальных условий эксплуатации.

13. Спроектированы и изготовлены изделия с ввязанными трикотажными электродами и чувствительными элементами адаптированные к использованию со стандартными регистрирующими устройствами спортивного и медицинского назначения.

14.Проведены натурные испытания разработанных изделий, в результате которых получены электрокардиограммы.

Публикации, отражающие содержание работы

Статьи в журналах, входящих в «Перечень...» ВАК РФ 1. Баранов, А.Ю. Трикотаж с улучшенными теплозащитными свойствами [Текст]/ А.Ю. Баранов, A.B. Романова, // Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 20Ю.-№ 3 том 9 - С.20-24.

Статьи, материалы конференций и тезисы докладов

1. Алексеик А.Е. Разработка технологии изготовления двухсторонней трансформируемой одежды из трикотажа с улучшенными эксплуатационными свойствами [Текст]/ А.Е. Алексеик, A.B. Романова, A.M. Сухарева, А.Ю. Баранов // Тезисы к всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» (Дни науки 2006). - СПб: СПГУТД, 2006. -С.123.

2. Баранов А.Ю. Влияние сырьевого состава на свойства двухслойного комбинированного трикотажа [Текст]/ А.Ю. Баранов, A.B. Романова // Тезисы к всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения» (Техтекстиль-2007). - Димитровград: ДИТУД УлГТУ, 2007.-С. 18.

3. Петрова, Е.А. Разработка трикотажных изделий с системой датчиков для биомониторинга [Текст]/ Е.А. Петрова, A.B. Романова, А.Ю. Баранов // Тезисы к всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» (Дни науки 2008). - СПб: СПГУТД, 2008. - С. 60.

4. Баранов А.Ю. Разработка трикотажных изделий для биомониторинга [Текст]/ А.Ю. Баранов, A.B. Романова // Тезисы к межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые -развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2009). -Иваново: ИГТА, 2009. -С.55.

5. Романова A.B. Применение трикотажа из токопроводящей пряжи в качестве сенсоров [Текст] / A.B. Романова, А.Ю. Баранов // Тезисы докладов к всероссийской научно-технической конференции «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности». - СПб: СПГУТД, 2009. -С.73.

6. Романова A.B. Исследование анизотропии электропроводящих свойств трикотажа [Текст]/ A.B. Романова, А.Ю. Баранов // Тезисы к III всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения» (ТЕХТЕКСТИЛЬ-2010). - Димитровград: ДИТУД УлГТУ, 2010. - С.83.

7. Романова A.B. Разработка технологии изготовления трикотажных изделий для биомониторинга [Текст]/ A.B. Романова // «У.М.Н.И.К.» в Санкт-Петербурге: разработки победителей конкурса программы Фонда содействия малых предприятий в научно-технической сфере «У.М.Н.И.К.». - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. - С.251.

8. Романова A.B. Разработка комплекса текстильных датчиков для мониторинга физиологического состояния человека [Текст] / А.В.Романова // Сборник трудов международной научной школы для молодежи «Методология и организация инновационной деятельности в сфере высоких технологий». - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. -С.62.

9. Романова A.B. Анизотропия электропроводящих свойств трикотажа из меташюсодержащей пряжи [Текст] / A.B. Романова, А.Ю. Баранов // Тезисы докладов к всероссийской научно-технической конференции «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности». - СПб: СПГУТД, 2010.-С. 98.

Введение.

1 Литературный обзор.

1.1 Системы биомониторинга.

1.1.1 Современные методы длительной регистрации ЭКГ.

1.1.2 Опыт применения электропроводящего трикотажа в качестве электродов ЭКГ.

1.1.3 Современные методы длительной регистрации частоты дыхательных усилий.

1.2. Текстильные датчики.

1.3 Трикотаж с улучшенными эксплуатационными свойствами для биомониторинга:.

1.4 Анализ и выбор трикотажных переплетений для производства изделий»для биомониторинга.

Выводы по главе 1.

2 Разработка вязаных электродов и чувствительных элементов.

2.1 Выбор сырья.

2.1.1 Исследование электропроводящих свойств металлосодержащей пряжи .47 2.1.2. Исследование механических и физических свойств металлосодержащей пряжи.

2.2 Петельные структуры трикотажа для выработки электродов.

2.3 Исследование электрофизических свойств трикотажа из металлосодержащей пряжи.

2.3.1 Исследование полного электрического сопротивления трикотажа из металлосодержащей пряжи.

2.3.2 Исследование зависимости электропроводящих свойств трикотажа от геометрических характеристик структуры.

2.3.3 Исследование влияния влажности на электрическое сопротивление трикотажных электродов.

2:3 ;4 Исследование влияния:давления на электрическое сопротивление трикотажных электродов.70/

2.3.5 Исследование тензорезистивных характеристик трикотажных чувствительных элементов

2.316 Исследование деформационных свойствчувствительных элементов из трикотажа.

Выводы по главе 2.

3 Разработка трикотажа с улучшенными эксплуатационными свойствами для производства изделий для биомониторинга.

3.1 Требования, предъявляемые к трикотажу с улучшенными эксплуатационнымисвойствами.

3.2 Выбор переплетения для производства изделий для биомониторинга.

3.3 Исследование эксплуатационных и теплозащитных свойств.

3.3.1 Исследование динамики водопоглощешш.;.

3.3.2 Исследование воздухопроницаемости.1.

3.3.3 Исследование теплозащитных свойств.

Выводы по плаве 3?.:.94>

4 Разработка лрикотажных изделийэдля'биомониторинга.

4.1 Обоснование выбора оборудования

4.2 Технологические аспекты выработки изделий для биомониторинга

4.2.1 Трикотажное изделие для внешнего крепления различных устройств ; биомониторинга.

4.2.2 Разработка изделий с ввязанными электродами и чувствительными элементами.

Выводы по главе 4.

За последние десятилетия текстильная и легкая промышленность в мировом-масштабе столкнулась с серьезными* структурными изменениями*. Это связано с увеличением глобальной конкуренции из-за насыщения1 рынка товарами повседневного спроса и перемещением средств- производства в« страны с дешевой рабочей силой. Тем не менее, текстильная № легкая промышленность является5 одной и из основных отраслей* экономики России, поэтому очень важна для< социального и экономического благополучия страны.

На заседании президиума- Государственного совета «О > модернизации текстильной отрасли и* мерах по повышению» уровня- жизни и социальной защищённости её работников» 2008 года было отмечено, что одной из мер модернизации отрасли является стимулирование проведения научно-исследовательских работ в целях разработки образцов инновационного текстиля и их последующего внедрения! в производство- [1]. Использование текстиля в новом- качестве, в сочетании* с различными другими материалами, дает возможность получения новой продукции.

Одним из инновационных направлений в трикотажном производстве является создание одежды > для* биомониторинга. Внедренные в одежду различными способами электроды и чувствительные элементы позволяют наблюдение наиболее важных параметров физиологического состояния' человека на протяжении длительного времени. Дети, люди пожилого возраста, а так же лица, чья профессиональная деятельность связана с экстремальными физическими и психологическими нагрузками (военные, сотрудники МЧС, спортсмены и др.) являются потенциальными потребителями таких товаров.

Создание «биометрической» одежды для непрерывного персонального наблюдения основных жизненных функций человека связано с решением широкого круга технических задач. К таким задачам относятся выбор сырья для датчиков, которое может перерабатываться на текстильном оборудовании и обладать необходимыми физико-техническими характеристиками, технология изготовления, конструкция изделий. Одежда для биомониторинга должна содержать в своей конструкции электроды, первичные датчики и чувствительные элементы для регистрации основных физиологических параметров.

Разрабатываемые изделия- направлены заменить стандартные системы электродов, использующиеся в случае динамического мониторинга в медицинской практике (электроды, прикрепляющиеся- к телу посредством приклеивания, ограничивающие свободу движения), используемые с регистрирующими приборами, они образуют систему динамического мониторинга основных физиологических параметров. Такая система может повысить безопасность человека, работающего в экстремальных условиях, ускорить процесс выздоровления пациентов, проходящих реабилитационное лечение и улучшить их качество жизни, повысить, эффективность тренировки спортсменов, значительно снизить риск внезапной смерти больных, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями:,

Актуальность проведенных исследований связана с разработкой новых видов изделии для* длительного динамического мониторинга основных физиологических параметров человека.

Целью работы является разработка технологии изготовления трикотажных изделий для биомониторинга.

Основными задачами исследования являются:

- изучение опыт изготовления и применения изделий для биомониторинга;

- разработка метода биомониторинга с использованием интегрированных текстильных трикотажных электродов и чувствительных элементов в конструкцию нательных бельевых изделий.

- исследование возможности использования трикотажа из металлосодержащей пряжи в качестве электродов и чувствительных элементов;

- исследование влияния петельной структуры на электропроводящие свойства;

- определение влияния технологических параметров на электропроводящие свойства;

- выбор петельной структуры для выработки трикотажных электродов ЭКГ;

- разработка трикотажный чувствительный элемент для датчика дыхательных усилий;

- разработка- петельной структуры с улучшенными эксплуатационными свойствами для изделий, применяемых в биомониторинге;

- разработка способа интегрирования электропроводящих сенсоров в трикотажное изделие и способа крепления регистрирующих устройств к электродам;

- проектирование и выработка изделия дляv крепления внешних датчиков, изделия с интегрированными датчиками для регистрации- сердечного ритма, изделия с интегрированными электродами ЭКГ

- проведение натурных испытаний;

Методы и средства< исследований.

Разработка физико-технических требований-к трикотажным электродам и чувствительным элементам основывалась на анализе научных и патентных источников в соответствующей области, а также экспериментальных исследованиях, проведенных совместно со специалистами5 Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета.

В исследованиях свойств >• текстильных электродов и- чувствительных элементов, разработке структур переплетений и технологии производства изделий для биомониторинга применялись как теоретические, так и экспериментальные методы с использованием- основ технологии трикотажного производства, текстильного материаловедения.

Постановка и проведение экспериментов осуществлялась с помощью математических методов планирования, современных электронно-измерительных приборов. Обработка экспериментальных данных производилась с использованием современных компьютерных программ. Научная новизна.

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие новые научные результаты:

- разработана концепция? длительного! динамического биомониторинга с использованием бельевых изделий с интегрированными трикотажными, электродами и чувствительными элементами; научно обоснована возможность. применения, трикотажа; из металлосодержащей^пряжи в качестве электродов и:чувствительных1 элементов-в. изделиях для биомониторинга;

- выявлено^ влияние петельной структуры и технологических показателей« трикотажа из металлосодержащей пряжи на его электрофизические характеристики; определена; анизотропия электропроводности; трикотажа; из металлосодержащей пряжи и выявлено влияние влагосодержания трикотажа5 на его электрофизические характеристики:

Практическая ценность работы.'

Предложены структуры ш технологические параметры» трикотажных электродов ЭКГ и чувствительных элементов датчиков дыхательных усилий из металлосодержащей пряжи;

Разработаны^, изделия» для- внешнего крепления; различных устройств мониторинга, предназначенные для специальных условий эксплуатации.

Разработаны изделия с ввязанными трикотажными электродами и чувствительными элементами адаптированные к- использованию со стандартными регистрирующими устройствами; спортивного и медицинского« назначения:

Выработанная опытная партия изделий использовалась ОКР: «Разработка и изготовление комплекта аппаратуры биологического мониторинга человека».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались,на:

- Всероссийской; научно-технической» конференции^ студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкою и полиграфической отраслях промышленности» (Дни науки), Санкт-Петербург, 2008.

- Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК

- 2009), Иваново, 2009г.

Работа была отобрана по программе Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «У.М.Н.И.К.» - «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» в 2009 году. Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, 4 глав с выводами, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на 138 страницах, имеет 64 рисунка, 17 таблиц, список литературы включает 61 наименование, 1 приложение представлено на 12 страницах.

1 Литературный обзор

Г.1 Системы биомониторинга

Системы биомониторинга, предназначенные для повседневного использования, появились относительно недавно (10-15 лет) № базируются на применении многофункциональных, снабженных приборами и датчиками устройствах или предметах одежды. Такие устройства позволяют наблюдение наиболее важных параметров физиологического состояния человека: частоты сердечного ритма, частоты- дыхания, температуры, артериального давления* на- протяжении-длительного времени: Очевидно, что основными требованиями * к таким системамявляются надежность и удобство в использовании.

Общие выводы по работе

1. Разработана технология изготовления? изделий для биомониторинга с; использованием? интегрированных текстильных трикотажных электродов и чувствительных, элементов* в конструкцию нательных бельевых изделий;

2. На: основании; анализа- медицинских, систем* мониторинга выявлены физико-технические требования к трикотажным электродам ЭКГ и; Чувствительному элементу датчика дыхательных усилий. ,

3. Определены? электрофизические: характеристики и механические свойства металлосодержащей пряжи;, доказана? возможность ее переработки на плосковязальном оборудовании. .

4. Исследованы электропроводящие свойства трикотажа из металлосодержащей пряжи, получена аналитическая модель, позволяющая оценить влияние геометрии структуры трикотажа на значение полного электрического сопротивления.

51 На; основании исследования чувствительности трикотажа из металлосодержащей пряжи и его з деформационных свойств выбрана оптимальная структура и технологические параметры? для чувствительного элемента датчика дыхательных усилий.

6. Определена анизотропия электропроводности трикотажа из металлосодержащей пряжи. ' - г

7. Исследовано влияние влагосодержания трикотажа из металлосодержащей пряжи на его электрофизические характеристики

8. Доказана возможность использования трикотажа из металлосодержащей пряжи в качестве - электродов- и чувствительных элементов для различных биометрических исследований

9. Проведены исследования теплофизических характеристик разработанных трикотажных полотен и произведен сравнительный? анализ эксплуатационных свойств с полотнами ведущих фирм производителей «термобелья».

10.Спроектированы и изготовлены изделия для внешнего крепления различных устройств мониторинга, предназначенные для специальных условий эксплуатации.

11. Спроектированы и изготовлены изделия с ввязанными трикотажными электродами и чувствительными элементами адаптированные к использованию со стандартными регистрирующими устройствами спортивного и медицинского назначения.

12.Проведены натурные испытания разработанных изделий, в результате которых получены электрокардиограммы.

1. Интернет-ресурс www.kremlm.ru

2. Попечителев Е.П. Электрофизиологическая и- фотометрическая«-медицинская техника* Текст./ Е.ЕГ. Попечителев, ША. Кореневский М.: Высшая школа; 2002.- 470с.

3. Барановский А.Л. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля^ ЭКГ: учебник для вузов Текст./ Под ред. А.Л. Барановского; А.П. Немирко М.: Радио и связь, 1993.

4. Макаров Л.М. Холтеровское мониторирование Текст./ Л.М. Макаровым Медпрактика; 2002. 216с.

5. Баевский Р.М. Холтеровское мониторирование в космической

6. Дабровски А. Суточное мониторирование ЭКГ Текст./» А. Добровски, Б. Добровски, Р.! Пиотрович М.: Медпрактика, 2000. - 208с.

7. ГОСТ 24878-811 Электроды для, съема, биоэлектрических потенциалов. Термины и. определения! Текст. М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1981.

8. Интернет-ресурс www.raesystems.com/products/lifeshirt

9. Интернет-ресурс www.textronics.com Ю.Интернет-ресурс www.smartex.it11 .Интернет-ресурс www.polar.fi

10. Интернет-ресурс www.weartech.net

11. Интернет-ресурс www.novonic.de

12. Агапов В.А'. Конструкция и рабочие процессы плосковязальных автоматов Текст./ В.А. Агапов, Т.А. Крячкова, А.В. Труевцев, А.Ю. Баранов СПб.: СПГУТД, 2002. - 107с.15 ;Интернет-ресурс www.proetex.org

13. ШИнтернет-ресурс www.biotex-eu.com .

14. Т.Интернет-ресурс www.context-project.org

15. Интернет-ресурс www.hitech-projects.com/euprojects/myheart/19:Интернет-ресурс www.ofseth.org20:Интернет-ресурс www.wealthv-ist.com

16. Дащенко H:B; Нанотекстиль: принципы получения, свойства и области; применения? Текст./ Н:В! Дащенко, A.M. Киселев; // ТЕХНОЛОГИЯ Т1ЖСТЮШН©ИП^ № 2, 2007. — Cl 51-571

17. Тёрнер Э. Биосенсоры. Основы и приложение Текст./ Под редакцией Э. Тернера, №Карубе; Д1 Уилсона -М: Мир; Ш2Г-614с.

18. Silveira, It Flexible strain — sensitive sensors for application in human physiology / I. Silveira, F. Clements, C.P. Bergmann, T. Gaule // In Materials 2007, Porto, Portugal, 2007. P. 254 - 259.

19. Cochrane, G. Design and development of a Flexible strain sensors for textile structures based on a conductive polymer composite / C. Cocherane, V. Koncar, M. Lewandowski, C. Dufour// Sensors 2007,7,2007. P. 473-492.

20. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение Текст./ Г. Вигляр, 1989. -196с. '

21. Zieba, J. Textronic sensor to breathing measurement / J. Zieba, M. Frydrysiak // 6th International Conference TEXSCI 2007, June 5-7, Liberec, Czech Republic, 2007. - P. 117-120.

22. O:\Vijesiriwardana, R. Resistive fibre-mashed transducers / R. Wijesiriwardana, T. Dias, S. Mukhopadhyay // Proceedings of the Seventh IEEE International* Symposium of Wearable Computers, Piscataway, NJ, USA, 2003. P: 200209.

23. Lorussi, F. Wearable redundant fabric-based sensors.arrays for reconstruction of body segment- posture / F. Lorussi, W. Rocchia, E.P. Scilingo, A. Tognetti, D. De Rossi // IEEE Sensors Journal №6, 2004. -P: 807-818.

24. Rotsch, C. Textile system for wearable electrodes / G. Rotsch, H. Oschatz, S. Hanus, A. Neudeck, K. Gnewuch, U. Mohring // Kettenwirk-Praxis, №02, 2009.-P. 14-15.

25. Zieba, J: Textronics Electrical and Electronic Textiles. Sensors for Breathing Frequency Measurement / J*: Zieba; Mi Frydrysiak // FIBRES&TEXTILES in Eastern Europe, №5(59), 2006 - P. 43-47.

26. Paradiso, R. Advances in textile technologies for unobtrusive monitoring of vital parameters and movements / R. Paradiso, D. De Rossi //Proceeding of the 28th IEEE EMBS Annual International Conference, New York City, USA, 2006.-P. 392-395.

27. Интернет-ресурс www.mdpi.org/sensors

28. Chen, C. Knit in 3D mappings effect on thermoregulation : preliminaiy results / The Journal of the Textile Institute №2, Vol 101, 2010 P. 120-127

29. Делль P.А. Гигиена одежды: Учеб. Пособие для вузов Текст./ Р.'А. Делль, Р.Ф. Афанасьева, З.С. Чубарова М.: Легпромбытиздат, 1991. — 160с.

30. Колесников П.А. Теплозащитные свойства одежды Текст./' П.А*. Колесников -М.: Легкая индустрия, 1965. 347с.

31. Иванов К.П. Физиология »терморегуляции. Руководство по физиологии1.

32. Текст./ К.П. Иванов, О.П. Минут-Сорохтина, Е.В. Майстрах. Л: Наука; 1984.

33. Кукин Г.Н. Текстильное материаловедение: Учебник для вузов / Г.Н. • Кукин, А.Н. Соловьев, А.И. Кобляков М.: Легпромбытиздат, 1989.352с.

34. Баранов А.Ю. Прогнозирование теплопроводности трикотажа Текст./ A.KD. Баранов; А.П. Бройко. — СПб: Технический.' текстиль. Реальный* сектор, 2001. №2. - 36-37с.

35. Безкостова С.Ф: Трикотаж, комбинированных переплетений Текст./ С.Ф. Безкостова; H.H. Позднякова, ЛЯ. Ровинская СПб.: СПБГУТД,» 2003.-230с.

36. Шалов И.И. Комбинированные трикотажные переплетения; Текст./ И.И. Шалов-М.: МТИ; 1971. 46с.

37. Кобляков А.И1. Структура и. механические свойства трикотажа Текст./ А.И. Кобляков — М.: Легкая индустрия, 1979. — 270с.

38. Кудрявин Л;А. Комбинированные переплетения Текст./ Л.AI Кудрявин -MI: МТИ, 1971.-68с.

39. Гусева A.A. Общая технология трикотажного производства Текст./ A.A. Гусева —М.: Легпромбытиздат, 1987. — 296с.

40. Поспелов Е.П. Двухслойный трикотаж Текст./ Е.П. Поспелов — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 208с.

41. Труевцев A.B. Прикладная механика трикотажа Текст./ A.B. Труевцев -СПб.: СПБГУТД, 2001. 96с.

42. Труевцев, A.B. Определение жесткости нити при изгибе с целью нахождения геометрических параметров петли кулирного трикотажа Текст. / A.B. Труевцев, В.Г. Кивипелто// Изв. вузов. Технол. текстил. пром-сти, № 6, 1991. С. 71-77.

43. Жихарев А.П: Материаловедение в производстве изделий текстильной и легкой промышленности Текст./ А.П. Жихарев, Д.Г. Петропавловский, С.К. Кузин; В.Ю. Мишаков М.: Академия, 2004. - 448с.

44. Дьяконов В.П. MathCAD в математике Текст./ В.П. Дьяконов М.: Горячая линия - Телеком, 2007 — 463с.

45. Баженов В.И. Материаловедение трикотажно-швейного производства Текст./ В.И. Баженов, С.В. Бабинец Jli: Легкая индустрия, 1971 - 304с.

46. Исаченко В. М. Теплопередача Текст./ В. М. Исаченко М.: Энергия,. 1969» - 440 с.

47. Гарбарук В.Н. Проектирование трикотажных машин Текст./ В.Н. Гарбарук Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. — 472с.

48. Далидович A.C. Основы теории вязания'Текст./ A.C. Далидович М.: Легкая индустрия, 1970. - 432с.

49. Бройко А.П. Разработка портативного комплекса для« непрерывного дистанционного контроля физиологического состояния и местоположения человека1 Текст./ А.П. Бройко, Д.В. Гончаров, С.Б. Калинин // БИОТЕХНОСФЕРА, № 5,2009: С.33-37.

50. Кудрявин Л.А. Основы, технологии* трикотажного производства Текст./ Л.А. Кудрявин, И.И. Шалов -М.: Легпромбытиздат, 1991. 496с.

51. Шалов И.И. Основы проектирования трикотажного производства с элементами САПР Текст./ И.И. Шалов, Л.А. Кудрявин — М.: Легпромбытиздат, 1989.— 288с.1. Диаграммы1. Рисунок А.1

52. Рисунок А.З Диаграмма растяжения образца переплетения кулирная гладь,минимальная плотность.

53. Рисунок А.2 — Диаграмма растяжения образца переплетения кулирная гладь,средняя плотность.20 301. Detmigin%20 301. Dehnung