Проект "Определение теплопроводности и изоляционных свойств волокон разных типов""

13

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №18 села Харагун

Конкурс творческих работ школьников

«Шаг в будущее»

Определение теплопроводности и изоляционных свойств волокон разных типов

Россия, Забайкальский край, Хилокский район, село Харагун

Выполнила: Мирошникова Анастасия,

ученица 10 класса МБОУ СОШ №18

Руководитель: Баулина Наталья Васильевна,

учитель химии МБОУ СОШ №18

Содержание

1.Краткая аннотация………………………………………… 3

2.Аннотация ………………………………………………… 4

3.План исследования ……………………………………….. 5

4.Научная статья ……………………………………………. 6

5.Практическая часть ……………………………………….. 9

6.Выводы ……………………………………………………. 13

7.Литература ……………………………………………… 14

Определение теплопроводности и изоляционных свойств волокон разных типов

Мирошникова Анастасия

Россия, Забайкальский край, Хилокский район,

село Харагун, МБОУ СОШ №18, 10 класс

Краткая аннотация

Данная работа направлена на подтверждение известных из научной литературы фактов о теплопроводности и изоляционных свойствах волокон разных типов в сухом и мокром виде.

Определение теплопроводности и изоляционных свойств волокон разных типов

Мирошникова Анастасия

Россия, Забайкальский край, Хилокский район,

село Харагун, МБОУ СОШ №18, 10 класс

Аннотация

Данная работа осуществлена с целью определения теплопроводности и изоляционных свойств тканей изготовленных из волокон разных типов. Постановка лабораторного модельного эксперимента позволила доказать известные науке факты, а использование микроскопа – определить причины различной теплопроводности волокон в сухом и мокром виде.

Определение теплопроводности и изоляционных свойств волокон разных типов

Мирошникова Анастасия

Россия, Забайкальский край, Хилокский район,

село Харагун, МБОУ СОШ №18, 10 класс

План исследования

Зима в Забайкалье суровая и длится 6-7 месяцев в году, поэтому актуальным является вопрос об одежде лучше сохраняющей тепло. Тип волокон имеет разную теплопроводность и изоляционные свойства. Какие материалы лучше подходят для теплой одежды? Ведь одежда изолирует тело, предотвращая отток тепла в окружающую более холодную среду. Постановкой лабораторного эксперимента мы нашли ответ на этот вопрос.

Целью нашей работы является определение теплопроводности и изоляционных свойств натуральных, синтетических и искусственных волокон.

Задачи:

• Определить температуру разных частей тела;

• Определить волокна лучше удерживающие тепло в сухом и мокром виде;

• Выяснить причины разной теплопроводности волокон

Гипотеза: если буду знать теплопроводность и изоляционные свойства волокон, то смогу выбрать зимнюю одежду из тканей лучше сохраняющих тепло.

В данной работе использовались:

• эксперимент;

• наблюдение;

• сравнение;

• измерение;

• анализ;

• обобщение

Определение теплопроводности и изоляционных свойств волокон разных типов

Мирошникова Анастасия

Россия, Забайкальский край, Хилокский район,

село Харагун, МБОУ СОШ №18, 10 класс

Научная статья

Теплопроводность – это передача тепловой энергии в веществе за счет молекулярной активности. Молекулы передают энергию при столкновениях друг с другом. Тепловая энергия стремится перейти от областей с высокой температурой к областям с низкой температурой.

Теплозащитные свойства тканей – это их способность сохранять тепло, выделяемое телом человека.

Основу всех материалов и тканей составляют волокна. Друг от друга волокна отличаются по химическому составу, строению и свойствам. В основу существующей классификации текстильных волокон положено два основных признака – способ их получения (происхождение) и химический состав, так как именно они определяют основные физико-механические и химические свойства не только самих волокон, но и изделий, полученных из них.

С учетом классификационных признаков волокна делятся на:

- натуральные

- химические.

К натуральным волокнам относят волокна природного (растительного, животного, минерального) происхождения: хлопок, лен, шерсть и шелк. К химическим волокнам – волокна, изготовленные в заводских условиях. При этом химические волокна подразделяются на искусственные и синтетические.

Искусственные волокна получают из природных высокомолекулярных соединений, которые образуются в процессе развития и роста волокон (целлюлоза, фиброин, кератин). К тканям из искусственных волокон относятся: ацетат, вискоза, штапель, модаль. Эти ткани прекрасно пропускают воздух, очень долго остаются сухими и приятны на ощупь. Сегодня все эти ткани активно используются производителями чулочно-носочной продукции, а, благодаря новейшим технологиям, способны заменять натуральные.

Синтетические волокна получают путем синтеза из природных низкомолекулярных соединений (фенола, этилена, ацетилена, метана и др.) в результате реакции полимеризации или поликонденсации в основном из продуктов переработки нефти, каменного угля и природные газов.

Натуральные волокна растительного происхождения

Хлопок

Хлопком называют волокна, растущие на поверхности семян однолетних растений хлопчатника. Он является основным видом сырья текстильной промышленности. Собранный с полей хлопок-сырец (семена хлопчатника, покрытые волокнами) поступает на хлопкоочистительные заводы. Здесь происходит его первичная обработка, которая включает в себя следующие процессы: очистку хлопка-сырца от посторонних сорных примесей (от частиц стеблей, коробочек, камней и др.), а также отделение волокна от семян, прессование волокон хлопка в кипы и их упаковку. В кипах хлопок поступает на дальнейшую переработку на хлопкопрядильные фабрики.

Хлопковое волокно представляет собой тонкостенную трубочку с каналом внутри. Волокно несколько скручено вокруг своей оси. Поперечный срез его имеет весьма разнообразную форму и зависит от зрелости волокна.

Льняное волокно

Льняное волокно получают из стебля травянистого растения – льна. Для получения волокна стебли льна замачивают с целью разъединения лубяных пучков друг от друга и от соседних тканей стебля путем разрушения пектиновых (клеящих) веществ микроорганизмами, развивающимися при намокании стебля, а затем мнут для размягчения древесной части стебля. В результате такой обработки получают лен-сырец, или мятый лен, который подвергают трепанию и чесанию, после чего получают техническое льняное волокно (трепаный лен).

Элементарное волокно льна имеет слоистое строение, что является результатом постепенного отложения целлюлозы на стенках волокна, с узким каналом посередине и поперечными сдвигами по длине волокна, которые получаются в процессе образования и роста волокна, а также в процессе механических воздействий при первичной обработке льна. В поперечном сечении элементарное волокно льна имеет пяти- и шестиугольную форму с закругленными углами.

Натуральные волокна животного происхождения

Шерсть

Шерстью называют волосяной покров овец, коз, верблюдов и других животных. Основную массу шерсти (94-96%) для предприятий текстильной промышленности поставляет овцеводство. Овечья шерсть состоит из волокон четырех типов: пуха – очень тонкого, извитого, мягкого и прочного волокна, круглого в поперечном сечении переходного волоса – более толстого и грубого волокна, чем пух; ости – волокна, более жесткого, чем переходный волос мертвого волоса – очень толстого в поперечнике и грубого неизвитого волокна, покрытого крупными пластинчатыми чешуйками. Шерсть обладает малой теплопроводностью, что делает ее незаменимой при выработке чулочно-носочной продукции зимнего ассортимента.

Искусственные волокна

Вискоза - волокно, получаемое из сосновой или еловой древесины. Оно мягкое, приятное на ощупь, обладает мягким шелковым блеском (именно поэтому ее еще называют «искусственный шелк», но при этом гораздо дешевле, хотя во многом не уступает свойствам натурального шелка). Вискоза имеет состав близкий к натуральному волокну из хлопка, следовательно, гигроскопична и воздухопроницаема. Обладает высокой теплопроводностью, поэтому дает ощущение прохлады в жару, как лен. К сожалению, при таких достоинствах у вискозной пряжи есть серьезные недостатки – из-за низкой эластичности волокон изделия часто довольно сильно вытягиваются, особенно после стирки. Чтобы снизить пагубное воздействие этих недостатков на готовое изделие, практически не выпускают пряжу из вискозы, в основном ее используют в составе смесовой пряжи, чаще всего с хлопком или с нейлоном.

Ацетатные волокна - представляют собой сложные эфиры целлюлозы из облагороженной древесины или хлопкового пуха и уксусной кислоты. По строению ацетатные волокна напоминают вискозные, однако имеют более округлые контуры. Волокно упруго, мало сминается, имеет красивый внешний вид, мягко, устойчиво к действию света и микроорганизмов, не повреждается молью, умеет среднюю гигроскопичность. Недостатками этого волокна являются невысокая устойчивость к истиранию, меньшая прочность (чем у вискозного волокна), низкая термостойкость, плохая окрашиваемость, а также электризуемость. Поскольку ацетатные волокна имеют низкую теплопроводность, их применяют в производстве теплого белья.

Искусственный мех по своему строению напоминает натуральный и состоит из грунта и ворса. Грунт — основа меха, в нем закреплены волокна ворса. Ворс — волокнистый покров; в зависимости от способа изготовления, вида применяемых волокон и нитей, назначения меха может быть однородным и неоднородным по длине и толщине волокон, по густоте их расположения; высота ворса может быть от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Для ворса используют полиакрилонитрильные, лавсановые и другие волокна или их смеси. Для лучшей имитации натурального меха в смесях для ворса применяют разноусадочные волокна (промытые и непромытые капроновые, нитроновые и вискозные волокна,

Искусственный мех легче натурального, достаточно износостоек, но обладает повышенной воздухопроницаемостью и меньшими теплозащитными свойствами, которые зависят от способа получения. Мех на трикотажной основе благодаря объемности имеет более низкую теплопроводность по сравнению с тканым. Накладной искусственный мех обладает более низкими теплозащитными свойствами.

Синтетические волокна

Полиэстер – волокно на основе полиэфира. Внешне полиэстер напоминает шерсть. Полиэфирное волокно — синтетическое волокно, формируемое из расплава полиэтилентерефталата или его производных. Достоинства — незначительная сминаемость, отличная свето- и атмосферостойкость, высокая прочность, хорошая стойкость к истиранию и к органическим растворителям; недостатки — трудность крашения, сильная электризуемость, жесткость — устраняется химическим модифицированием. Основные торговые названия: лавсан, терилен, дакрон, тетерон, элана, тергаль, тесил.

Нейлон –синтетическое волокно, формуемое из расплавов полиамидов, которые получают путем полимеризации продуктов перегонки каменного угля и нефти - бензола и фенола. Нейлон, как правило, используется при производстве изделий, которым требуется прочность и надежность в эксплуатации: спортивная одежда, купальные костюмы, бельевой трикотаж, чулочно-носочные изделия, швейные нитки, тесьма, ленты, кружева, канаты, рыболовные сети, конвейерные ленты и т.д.

Флис — синтетический тканый материал для изготовления теплой одежды, изготавливаемый из полиэтилентерефталатного волокна. Изобретён в 1979. Из флиса делают свитера, куртки, обычно спортивные или туристические

Определение теплопроводности и изоляционных свойств волокон разных типов

Мирошникова Анастасия

Россия, Забайкальский край, Хилокский район,

село Харагун, МБОУ СОШ №18, 10 класс

Практическая часть

Человеческое тело может регулировать собственную температуру несколькими способами. Но не у всех частей тела температура одинаковая. С помощью устройства автономного сбора и обработки данных SPARK Scienсe Learning System определили температуру разных частей тела.

Температура разных частей тела

Часть тела	Температура ( 0 С)
Рот	37,0
Подмышка	36,5
Лоб	34,7
Рука	34,8
Пальцы	33,1

Даже, несмотря на то, что температуры в разных частях тела отличаются, внутренняя температура сохраняется в узком диапазоне за счет терморегуляции. Терморегуляция – это способность организма сохранять температуру тела в определенных границах при разных температурах окружающей среды. Один из отделов мозга – гипоталамус– регулирует температуру тела.

Терморегуляция является частью более общего процесса – гомеостаза. То есть сохранения постоянства внутренней среды и устойчивости основных физиологических функций в организме человека.

Определим, как температура кожи меняется в зависимости от того, находится она под одеждой или на открытом воздухе.

Прикоснемся кончиком датчика температуры к открытой коже руки.

Температура открытой кожи – 34,8

Температура кожи под одеждой – 36,8

Поставим модельный эксперимент, в котором роль тела будут выполнять пробирки с горячей водой. Одна из них контрольная (без изоляции), а остальные обвернуты тканями с разными типами волокон. Для проведения эксперимента брали кусочки тканей о составе которых судили по ярлычкам. Если на ярлыке определялась смесь волокон, то считали то волокно, процентное содержание которого значительно выше.

Результаты эксперимента

Материал	 в начале опыта	через 2 минуты	 через 5 минут	Разница температур
Контроль (пробирка без изоляции)	33,4	32,1	31,8	1,6
2. Искусственное волокно. Трикотаж (ацетата 65%)	33,5	33,2	32,5	1,0
3. Природное волокно Хлопок	34,8	34,4	34,3	0,5
4. Искусственная вискоза крупная (мех)	34,9	34,4	34,1	0,8
5. Искусственная вискоза тонкая	34,5	34,1	33,3	1,2
6. Синтетическое волокно. Атлас (лавсан)	33,0	32,6	31,7	1,3
7. Трикотаж (полиэстер)	34,8	33,9	33,8	1,0
8.Шерсть	33,2	33,0	32,9	0,3
9. Флис	33,4	33,0	32,7	0,7
10.Лен	33,5	33,3	32,9	0,6

По уменьшению теплопроводности волокна можно расположить в следующей последовательности: лавсан, вискоза тонкая, ацетат, полиэстер, вискоза крупная (искусственный мех), флис, лен, хлопок, шерсть. Таким образом, самым «теплым» волокном является шерсть.

Определение теплопроводности мокрых изоляционных материалов

Мы повторили опыт, намочив в воде исследуемые образцы тканей. Результаты представлены в таблице.

Материал	 в начале опыта	 мокрых волокон	Разница температур
1. Искусственное волокно. Трикотаж (ацетата 65%)	33,5	30,3	3,2
2. Природное волокно Хлопок	34,8	31,9	2,9
3. Искусственная вискоза крупная (мех)	34,9	31,9	3,0
4. Искусственная вискоза тонкая	34,5	31,2	3,3
5. Синтетическое волокно. Атлас (лавсан)	33,0	29,1	3,9
6. Трикотаж (полиэстер)	34,8	31,2	3,6
7.Шерсть	33,2	31,0	2,2
8. Флис	33,4	30,6	2,8
19.Лен	33,5	30,6	2,9

С повышением влажности материалов для одежды резко падает их тепловое сопротивление. Степень влияния влажности текстильных материаллов на их теплопроводность неодинакова для различных тканей и зависит от рода волокон. Так, теплопроводность тканей искусственных и синтетических более резко увеличивается с увеличением влажности, чем шерстяных тканей. Это происходит потому, что небольшие полости с воздухом заполняются водой, а вода является лучшим проводником тепла, чем воздух, она сильнее отнимает тепло от тела, чем воздух.

Каковы причины различной теплопроводности волокон?

Для ответа на этот вопрос рассмотрели нити волокон с помощью цифрового микроскопа.

Волокно хлопка представляет собой сплюснутую извитую трубочку с каналом внутри.

Наличие канала, заполненного воздухом, обусловливает невысокую теплопроводность хлопкового волокна, что дает возможность вырабатывать из него изделия с хорошими теплозащитными свойствами.

Элементарное волокно льна представляет собой длинную, тонкую и гладкую клетку с заостренными концами. В поперечном срезе элементарное волокно имеет вид многоугольника с четырьмя— шестью гранями с узким каналом посередине. При рассмотрении волокна под микроскопом наблюдаются характерные сдвиги и утолщения, что является результатом механических воздействий на волокно при мятье. Благодаря наличию в волокне льна более узкого канала, заполненного воздухом, оно имеет большую теплопроводность по сравнению с хлопком.

Волокно шерсти состоит из слоев: чешуйчатого, коркового и сердцевинного. Чешуйчатый слой шерсти состоит из тонких роговидных пластинок различных размеров и формы. Сердцевинный слой шерсти состоит из рыхлых клеток, промежутки между которыми заполнены воздухом.Этот слой уменьшает теплопроводность шерстяных волокон,

Химические волокна в отличие от натуральных имеют более простое строение. Они представляют собой тонкие прутки с относительно гладкой поверхностью и разнообразным поперечным сечением.

Определение теплопроводности и изоляционных свойств волокон разных типов

Мирошникова Анастасия

Россия, Забайкальский край, Хилокский район,

село Харагун, МБОУ СОШ №18, 10 класс

Вывод

Воздух – плохой проводник тепла, так как расстояние между его частицами велико. Поэтому воздух в волокнах одежды является таким хорошим изолятором. Волокна, содержащие больше полостей с воздухом, обеспечивают лучшую изоляцию и предотвращают потерю тепла. В нашем эксперименте к ним относятся шерсть, хлопок, лен, флис. Влияет также собственная способность проводить тепло

Чем плотнее и толще ткани, тем медленнее они впитывают и отдают влагу и тем лучше обеспечивают постоянство влажности и температуры воздушной прослойки между одеждой и телом человека. Теплопроводность тканей искусственных и синтетических более резко увеличивается с увеличением влажности, чем шерстяных тканей.

К тканям различного назначения предъявляются различные требования теплопроводности. Сорочечно-платьевые и бельевые ткани должны обладать наибольшей воздухопроницаемостью. Ткани для верхней и зимней одежды должны обладать ограниченной воздухопроницаемостью, должны быть ветростойкими и не допускать переохлаждения тела человека в результате проникания чрезмерного количества холодного воздуха в пододежное пространство.

С целью получения легкого и менее теплопроводного волокна в последнее время стали вырабатывать пустотелые синтетические волокна, которые получают в результате применения фильер с профилированными отверстиями. К таким волокнам относится флис.

Список литературы

1.Крицман В.А.Энциклопедия юного химика – М., Педагогика, 1990

2.Виртуальная биологическая школа http://www.maratakm.narod.ru

www.biology.ru.

3.Мальцева, Е.П. Материаловедение швейного производства. Е.П. Мальцева, – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983 – 23с.

4.Тяглова Е.В. Исследовательская деятельность учащихся по биологии,-М.:Глобус,2008