Дослідження характеристик тертя між камуфляжним одягом і шкірою ліктя людини3

1, Характеристики поверхні камуфляжних тканин для одягу

На рисунках 2(a~e) показано морфологічні зображення поверхні чотирьох типів тканин камуфляжного одягу та одного типу нижньої білизни камуфляжного одягу. Можна помітити, що тканини 1" і 5" виглядають відносно пухкими через структуру саржевого та петлевого в'язання з більшими порами. Навпаки, тканини 2, 3 і 4" демонструють відносно гладкі та щільні поверхні завдяки своїй гладкій в’язкій структурі з меншими порами.

Гідрофільність/гідрофобність поверхні є одним із важливих факторів, що впливають на фрикційні властивості шкіри. Вимірювання гідрофобних/гідрофільних властивостей тканин камуфляжного одягу допомагає зрозуміти трибологічну поведінку між різними тканинами камуфляжного одягу та шкірою. Через різницю в структурі в’язання полотна існує значна різниця в гідрофільності між саржевим і гладким структурами. Для саржевого і петлевого полотна з сильним водопоглинанням (повністю поглинається протягом 2 секунд) гідрофобність характеризується часом, протягом якого крапля води залишається на поверхні, де менший час вказує на сильніше поглинання води. Що стосується простих тканин, вимірюється кут контакту після 2-другого тесту, де більший кут контакту вказує на меншу поверхневу енергію, що робить матеріал більш гідрофобним. На малюнку 3 показано фотографії вимірювання контактного кута камуфляжної тканини 2", 3" та 4".

У таблиці 2 наведено результати випробувань контактного кута, які показують, що тканина 2" демонструє найсильнішу гідрофобність, за нею йде тканина 4". Час зникнення крапель води на поверхнях тканин 1" і 5" наведено в таблиці 3, вказуючи на те, що тканина 5" повністю поглинає краплі води за коротший час, демонструючи кращу гідрофільність, ніж тканина 1". Загалом, з точки зору порівняння, гідрофільність тканин має такий ранг: 5" > 1" > 3" > 4" > 2", що вказує на те, що тканини, виготовлені з чистої бавовни та зі структурою саржевого в’язання, демонструють кращу гідрофільність.

2. Фрикційна поведінка між камуфляжними тканинами одягу та шкірою

Щоб дослідити адгезійну та ковзаючу поведінку між тканинами камуфляжного одягу та шкірою, на малюнку 4 показано типові криві коефіцієнта тертя та криві зміщення сили тертя (FD) тканини 1" зі шкірою під нормальним навантаженням 1 Н та 5 Н, як у сухому, так і в потовиділеному стані. Виходячи з наших попередніх досліджень, шкіра за різних умов зворотно-поступального тертя ковзання демонструє три типи кривих FD: паралелограм, круглу та напівзамкнуту форму, поведінка шкіри може класифікувати на стан відносного ковзання, проміжний стан, де співіснують відносне ковзання та адгезія, і стан адгезії.

Як показано на малюнку 4, при нормальному навантаженні 1 Н і в сухому стані коефіцієнт статичного тертя і сила статичного тертя малі, що вказує на відносне ковзання між шкірою і тканиною під час тертя. Після додавання штучного поту між шкірою та тканиною утворюються міжшарові сили через присутність поту, що призводить до адгезії між шкірою та тканиною. Спочатку вони знаходяться в липкому стані. У міру збільшення зміщення шкіра зморщується і накопичується перед сферичним зондом, збільшуючи поверхневий натяг шкіри. Коли сума штовхальної сили і поверхневого натягу перевищує силу статичного тертя, між шкірою і тканиною камуфляжного одягу виникає відносне ковзання. Тому після додавання штучного поту шкіра спочатку прилипає до тканини камуфляжного одягу, а потім ковзає.

Коли нормальне навантаження становить 5 Н, завдяки більшому навантаженню сила зчеплення між шкірою та тканиною збільшується. Поверхня між тканиною камуфляжного одягу та шкірою знаходиться в проміжному стані відносного ковзання та адгезії як у сухому, так і вологому середовищі, зі зменшеною відстанню ковзання порівняно з нормальним навантаженням 1 Н.

5 ілюструє розподіл середніх коефіцієнтів тертя між різними тканинами камуфляжного одягу та шкірою. При нормальному навантаженні 1 Н усі тканини демонструють вищі коефіцієнти тертя в пітливих умовах порівняно з сухими. Це пояснюється тим, що додавання штучного поту збільшує зволоження шкіри, що призводить до збільшення адгезії між тканиною камуфляжного одягу та шкірою.

У результаті зростає опір тертя, який необхідно подолати, що призводить до збільшення коефіцієнта тертя. Це узгоджується з висновками Naik et al. Коли нормальне навантаження збільшується до 5 Н, немає істотної різниці в середніх коефіцієнтах тертя між різними тканинами та шкірою в сухих і вологих умовах. Це пояснюється тим, що при більш високих нормальних навантаженнях відносний рух між шкірою і тканиною вимагає подолання фрикційної складової пружної деформації шкіри.

При цьому сила зчеплення між шкірою і тканиною також збільшується. Однак приріст фрикційної складової внаслідок пружної деформації шкіри значно перевищує приріст сили зчеплення між шкірою та тканиною. Таким чином, матеріал і структура тканини, а також сухі та вологі умови, здається, мають менше значення для впливу на опір тертю. Отже, відмінності в показниках тертя між різними тканинами та шкірою в сухих і вологих умовах незначні.

При нормальному навантаженні 1 Н і в сухих умовах середні коефіцієнти тертя такі: 3" > 2" > 1" > 5" > 4". Ці результати пов'язані з матеріалом і структурою в'язання полотен. Аналізуючи з точки зору матеріалу, тканини 1" і 5" складаються зі 100% бавовни, тоді як тканина 4" складається з 50% нейлону та 50% бавовни. Ці матеріали м’якші порівняно з тканинами з поліестеру (2 дюйми) і віскози (3 дюйми), що призводить до нижчих коефіцієнтів тертя зі шкірою. З точки зору в'язальної структури, гладкі структури (2", 3") мають більше перетинів і коротші поплавки, що призводить до більших фактичних площ контакту зі шкірою, отже, вищі середні коефіцієнти тертя порівняно з саржевими структурами (1", 4") і петлеві структури (5").

Крім того, наявність довгих мікроопуклих волокон на поверхні тканини також впливає на фрикційні характеристики. Тканини 1", 3" і 5" мають довгі мікроопуклі волокна на своїх поверхнях, які збільшують опір під час тертя. З іншого боку, тканини 2" і 4" мають гладкіші поверхні. Тому тканина 2" має дещо нижчий коефіцієнт тертя коефіцієнти тертя порівняно з тканиною 3", а тканина 4" має дещо нижчий коефіцієнт тертя порівняно з тканиною 1" і 5".

При нормальному навантаженні 1 Н і у вологих умовах середні коефіцієнти тертя значно збільшуються порівняно з сухими умовами. Порівнюючи середні коефіцієнти тертя різних тканин у вологих умовах, вони є такими: 2" > 4" > 3" > 1" > 5". Ці результати узгоджуються з гідрофільністю тканин. Чим більш гідрофобна тканина, тим більше води відштовхує, що призводить до більшої гідратації шкіри та більшої адгезії на межі між тканиною камуфляжного одягу та шкірою, що призводить до вищих коефіцієнтів тертя. Це відбувається тому, що гідратація шкіри пом’якшує роговий шар і утворює капілярні містки, збільшуючи фактична площа контакту та адгезія [3-14]. Під час реальних військових операцій і тренувань потовиділення неминуче, і більшу частину часу шкіра контактує з потом.

Тому при виборі камуфляжного одягу, що контактує зі шкірою, найкраще вибирати тканини з сильним вологопоглинанням (гідрофільністю), такі як бавовна, тканини зі структурою саржевого або петлевого в’язання. Це допомагає зменшити тертя об шкіру людини.

3, Морфологія поверхні шкіри

Щоб краще спостерігати за пошкодженням поверхні шкіри, викликаним тертям різних тканин камуфляжного одягу, у таблиці 4 наведено зміни шорсткості поверхні до та після тертя шкіри. Порівняно зі шкірою контрольної групи шорсткість поверхні трохи збільшується після тертя шкіри під нормальним навантаженням 1 Н як у сухих, так і вологих умовах. Однак збільшення невелике, що пов’язано з меншим навантаженням, що призводить до меншої сили тертя та меншого лущення рогового шару поверхні шкіри, що призводить до мінімальних змін шорсткості поверхні шкіри.

Однак при нормальному навантаженні 5 Н як в сухих, так і вологих умовах зміни шорсткості поверхні шкіри до і після тертя значні. Порядок збільшення шорсткості поверхні шкіри в сухих і вологих умовах такий: 3 > 2 > 1 > 4.

Щоб отримати більш інтуїтивне та детальне розуміння змін у морфології поверхні шкіри, на малюнку 6 показано тривимірні зображення шкіри під час тертя з різними тканинами камуфляжного одягу під нормальним навантаженням 5 Н і в сухих умовах.

На малюнку 6 можна помітити, що поверхня шкіри контрольної групи (без тертя) є відносно гладкою (малюнок 6(a)), демонструючи чіткі структури текстури з мінімальною шорсткістю поверхні.

Однак після тертя з тканинами 2 (Малюнок 6(c)) і 3 (Малюнок 6(d)) поверхня шкіри стає нерівною, деякі текстури зникають, що призводить до збільшення шорсткості поверхні. Це пов’язано з довгими виступаючими волокнами тканин 2 і 3, які мають структуру гладкого переплетення та відносно тверду текстуру, що призводить до вищих коефіцієнтів тертя під час тертя. Як наслідок, вони схильні дряпати шкіру, спричиняючи відшарування рогового шару та розрив епідермісу, що призводить до витоку тканинної рідини.

Навпаки, після тертя з тканинами 1, 4 і 5 поверхня шкіри залишається відносно гладкою, з мінімальним порушенням структури текстури та меншою травмою для шкіри. Незважаючи на відсутність істотної різниці в середніх коефіцієнтах тертя між тканинами та шкірою в сухих і вологих умовах, коли нормальне навантаження збільшується до 5 Н, матеріал і структура тканин все ще впливають на ступінь пошкодження поверхні шкіри.

Тому при підборі камуфляжного одягу доцільно вибирати м’які за фактурою тканини, наприклад бавовна, і тканини зі структурою саржевого в’язання, щоб зменшити пошкодження шкіри від тертя. Крім того, слід докладати зусиль для мінімізації контактного навантаження між шкірою та тканиною, тим самим зменшуючи силу тертя на поверхні та пом’якшуючи ефект зсуву між шарами епідермісу, тим самим знижуючи ризик розриву епідермісу.

висновок:
          a. При нормальному навантаженні 1 Н вологе середовище покращує адгезію між тканинами та шкірою, що призводить до більш високих коефіцієнтів тертя між тканинами та шкірою у вологому стані порівняно з сухим станом. Коли нормальне навантаження збільшується до 5 Н, сухий/мокрий стан поверхні розділу не має істотного впливу на коефіцієнти тертя між тканинами та шкірою.

          b. У сухому стані показники тертя між різними тканинами камуфляжного одягу та шкірою пов’язані з матеріалом і структурою в’язання тканин. Тканини з чистої бавовни і зі структурою саржі мають менші коефіцієнти тертя зі шкірою. У вологому стані показники тертя між різними тканинами камуфляжного одягу та шкірою пов’язані з гідрофільністю тканин. Тканини з більшою гідрофобністю підвищують коефіцієнти тертя між тканинами та шкірою завдяки підвищеній гідратації шкіри та міжфазній адгезії.

          c. Тканини з відносно жорсткою структурою полотняного переплетення схильні до шорсткості поверхні шкіри після тертя, що призводить до різного ступеня відділення рогового шару та розриву епідермісу, що підвищує ризик пошкодження поверхні шкіри.