Перспективные полимерные материалы в производстве обуви

Л. Л. Никитина, О. Е. Гаврилова

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ ОБУВИ

Ключевые слова: полимерные материалы, текстильные материалы, верх обуви, подошва.

Свойства полимерных материалов и их способность к модификации позволяют создавать материалы для обуви, способные в значительной степени обеспечить эргономические свойства обуви. В статье рассматриваются современные полимерные материалы, используемые для обуви.

Keywords: polymers, textiles, shoe uppers, soles.

Properties of polymeric materials and their ability to allow the creation of modified materials for footwear that can pretty much ensure ergonomic properties of shoes. The article deals with modern polymer materials used forfootwear.

Обувь - предмет одежды, основной функцией которого является защита стопы, голени, иногда бедра, от неблагоприятных воздействий внешней среды. Обеспечение данной функции осуществляется подбором материалов на детали обуви адекватным условиям носки (назначению). Помимо материалов на детали обуви в ее производстве задействованы разнообразные вспомогательные материалы: клея, нитки, краски и т.д. Используемые материалы для обуви -полимерные материалы: натуральная, искусственная и синтетическая кожи, текстильные материалы - для деталей верха обуви; резины, полиуретаны (ПУ), поливинилхлориды (ПВХ), термоэластопласты (ТЭП) и др. - для деталей низа; картоны, термопластичные материалы - для каркасных деталей. Полимерные материалы обладают рядом уникальных свойств таких, как эластичность -способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки); малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло); способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок); способность резко изменять свои физикомеханические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.) [1]. Эксплуатационные свойства полимерных материалов и их способность к модификации позволяют создавать материалы для обуви, способные в значительной степени обеспечить и улучшить защитную функцию обуви.

От материалов для верха обуви требуется сочетание противоречивых показателей свойств -паропроницаемости, гигроскопичности и влагоотдачи с влагозащитной способностью, также обеспечение теплозащитных свойств утепленной обуви и т.п. В настоящее время для деталей верха обуви используется большое количество различающихся по свойствам и природе материалов. Натуральные материалы для обуви - это текстильные материалы из натуральных волокон, натуральная кожа. Благодаря своим характеристикам кожа является наиболее часто используемым материалом для верха обуви. Использование искусственных материалов, в том числе искусственной кожи, для верха обуви в

основном обусловлено снижением стоимости обуви. Однако имеются искусственные и синтетические материалы, свойства которых не уступают, а иногда и превосходят свойства натуральных кож.

Соответственно стоимость обуви из таких

материалов может превышать стоимость обуви из натуральных.

Текстильные материалы для верха обуви становятся все более популярными в мире моды: шелк для модельных туфель, трикотажные полотна для летних полусапожек, войлок для утепленной обуви и т.д. В настоящее время по объему использования в обувном производстве текстильные материалы следуют за натуральной кожей, значительно превосходя объем искусственных и синтетических материалов. Доля производства

обуви с верхом из текстильных материалов в различных странах неодинакова: в США она составляет 32 %, во Франции - 40 %, в России -около 10 % от ее общего производимого количества. Не менее 50 % выпускаемой обуви различного назначения имеет подкладку из тканого, нетканого материалов или трикотажа. До 25 % годового выпуска составляет обувь, у которой все детали верха (наружные и внутренние) изготовлены из текстильных полотен.

Сырьевой состав текстильных материалов для обуви практически не ограничен. Традиционно преобладает использование хлопчатобумажных полотен, как для наружных, так и для внутренних деталей обуви, что составляет 53 %, полушерстяных тканей - 33 %, шелковых - 13 %, шелковых и льняных - около 1%.

Обувь из текстильных материалов отличает легкость и удобство. Текстильные материалы используются как для обуви домашней и для активного отдыха, так и повседневной, модельной, спортивной, ортопедической и специальной зимней, весенне-осенней, летней обуви. Широкое применение текстильных материалов в обувном производстве объясняется их ценными свойствами: стандартностью формы и размеров, небольшой массой, высокими значениями воздухо- и паропроницаемости, гигроскопичности, что позволяет применять их в обуви различного половозрастного назначения, достаточной прочностью. При увеличении толщины и подборе волокнистого состава получают материалы для

зимней и домашней обуви с хорошими теплоизоляционными свойствами.

Однако, текстильные обувные материалы имеют недостатки. Они характеризуются быстрой промокаемостью и значительной намокаемостью, поэтому обувь с текстильным верхом непригодна для носки в сырых условиях. Пределы прочности при растяжении или удлинении неравномерны по направлениям (основа и уток, ширина и длина полотна). Края деталей из тканей полотняного, саржевого и некоторых других переплетений имеют невысокое сопротивление осыпанию нитей, а трикотажные детали отличаются распускаемостью. По упругопластическим свойствам,

формоустойчивости и износостойкости текстильные обувные материалы уступают натуральной коже.

Для обеспечения необходимого комплекса свойств текстильных материалов для верха обуви требуется их модификация. В настоящее время существуют разнообразные способы модификации текстильных материалов. Наиболее распространена физико-химическая и химическая модификации Модификация свойств текстильных материалов осуществляется в основном на двух стадиях: в процессе производства (переработка сырья, формирование волокна и т.д.) и в процессе последующей отделки (крашение, аппретирование). Так, химическая модификация тканей путем нанесения аппретов позволяет придать им и готовым изделиям влагозащитные свойства, так же широко используется обработка гидрофильных волокон гидрофобными реагентами.

На процесс модификации текстильных материалов, главным образом, влияют следующие факторы: природа волокна, его расположение в пряже и ткани (крутка, переплетение), физические свойства волокон: способность набухать,

сопротивляться истиранию как во влажном, так и в сухом состоянии при различных температурных условиях; восприимчивость волокон, нитей, тканей к химическим воздействиям. Полимерные материалы дают возможность обеспечить или улучшить свойства обувных материалов в широких пределах. Обеспечение заданных свойств верха обуви может осуществляться в нескольких направлениях: первое - использование различных полимеров для создания волокон с необходимым комплексом свойств, второе - модификация свойств имеющихся текстильных материалов с использованием различных химических реагентов, третье - использование полимеров для создания комплексных материалов.

Проблемы надежности и комфортности обуви из этих материалов решаются не только за счет их свойств, но с помощью рациональной конструкции и технологической подготовки. Однако, это не всегда оправдано с технологической и экономической точек зрения. Поэтому разработка новых обувных текстильных материалов остается актуальной.

Наиболее перспективными являются текстильные материалы, изготовленные на основе различных химических волокон. Среди химических

волокон, применяемых для получения волокнистых материалов различного назначения, выделяют следующие основные группы: волокна и нити общего назначения, в том числе их модифицированные виды; эластомерные нити; высокопрочные нити, в том числе нити, получаемые фибриллированием пленок; сверхпрочные высокомодульные нити; термостойкие и трудногорючие волокна и нити; волокна и нити со специфическими физическими, физико-

химическими и химическими свойствами. К высокопрочным волокнам и нитям общего назначения относят полиэфирные,

полипропиленовые, алифатические полиамидные, поливинилспиртовые, гидратцеллюлозные.

Сверхпрочные высокомодульные нити - п-арамидные, п-арилатные (ароматические полиэфирные), поли-п-фениленбензо-бис-

оксазольные и -тиазольные, поливинилспиртовые, из сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

Арамидные, полиимидные, полибензимидазольные и др. - термостойкие и трудногорючие волокна и нити. Электропроводящие, сорбирующие, ионообменные, хемостойкие и другие виды волокон предназначены для создания материалов со специфическими функциональными

характеристиками [2].

Широкое использование для создания обувных текстильных материалов нашли волокна на основе ароматических полиамидов и полиэфиров. Известны волокна Aramide, эластичное волокно Lycra, Schoeller Keprotec, которые обеспечивают легкий вес обуви, ее водостойкость, высокую прочность. Как правило, подобные текстильные материалы используются для верха спортивной, горной и треккинговой обуви и обуви для активного отдыха. Так высокотехничная текстильная ткань на основе волокон полиамида с лайкрой Schoeller Dynamic позволяет обеспечить водостойкость, эластичность и прочность верха обуви. Другим примером высокотехнологических решений для обеспечения необходимых свойств верха обуви является высокотехнологичная синтетическая кожа Loicra, сделанная из очень маленьких волокон, мягкая, прочная, «дышащая» и водоотталкивающая.

Для обеспечения таких свойств обуви, как паропроницаемость и влагозащитная способность, для верха обуви используются мембранные материалы. Существуют двухслойные мембранные ткани, которые представляют собой базовую ткань, на которую изнутри нанесен слой материала с микропорами, а также и трехслойные ткани, где добавлен третий слой - тонкий ворсовый утеплитель, препятствующий образованию

конденсата. Мембрана представляет собой тонкослойное покрытие внутренней поверхности разнообразных тканей. Различают два типа мембран: микропористые и гидрофильные. Размер микропористой мембраны в 20000 раз меньше капли воды, но в 700 раз больше молекулы пара (капли воды не проникают внутрь обуви, пары телесной влаги легко испаряются). Гидрофильные мембраны представляют собой плотную пленку без пор,

которая за счет открытых связей специальных химических соединений выводит молекулы водяного пара на внешнюю поверхность ткани.

Уникальные свойства мембранных материалов обеспечивают их широкое применение при создании качественной детской обуви. Например, верхний слой зимних сапог австрийской марки SuperFit выполнен из мембранной ткани Gore-TEX. Известны также инновационные разработки и системы KING-ТЕХ, SPIRA-TEX, BAUXITE, Teflon Du Pont и др., обеспечивающих благоприятный климат внутриобувного

пространства и блокирующих проникновение влаги снаружи [3].

Главное отличие мембран разных производителей заключается в материале самой мембраны, размере отверстий, их плотности на квадратный миллиметр, способе соединения мембраны с материалом верха обуви.

Комплексные материалы для верха обуви различаются по способу дублирования, методу нанесения клеевого состава, по типу клея. Разновидностью комплексных материалов являются материалы, дублированные с эластичным

полиуретановым поропластом. Поропласт полиуретановый эластичный получают путем взаимодействия сложного полиэфира с

диизоцианатами в присутствии активатора, эмульгатора и стабилизирующих добавок. С добавлением трихлорэтилфосфата получают самозатухающий поропласт, с добавкой трихлорэтилфосфата и поливинилхлорида -самозатухающий поропласт повышенной свариваемости, способный свариваться с

поливинилхлоридной пленкой токами высокой частоты. Рассматриваемый поропласт используется в различных отраслях в качестве амортизационного, звуко- и теплоизоляционного набивочного, настилочного материала, в качестве полупродукта (пригодного для сваривания), материалов для фильтров. Поропласт полиуретановый эластичный находит широкое применение при изготовлении обуви в качестве теплоизоляционного материала, в качестве упругого каркасного слоя при дублировании текстильных материалов. Поропласт полиуретановый эластичный негигроскопичен, стоек к действию бензина и смазочных масел, легок, обладает достаточным сопротивлением к сминаемости, эластичные свойства сохраняет в интервале температур: от -15 до +100. Все эти показатели в сочетании со свойствами дублируемых материалов определяют назначение комплексных материалов, технологические режимы их обработки. Поропласт изготавливается в виде гладких или профилированных листов или полотен.

Полиуретановый клей по химическому составу аналогичен полиуретановому поропласту, что создало возможность изготовления комплексных материалов, качественно

превосходящих материалы, изготовленные на основе полиизобутиленового и полипропиленового клеев. С 1968 года в отечественной легкой промышленности нашел широкое применение

огневой способ дублирования материалов, при котором клеящим составом является сам полиуретановый поропласт, предварительно оплавленный. В качестве исходных материалов для дублирования могут быть использованы

практически любые материалы (ткани и трикотажные полотна из искусственных,

синтетических, натуральных и смешанных волокон, искусственный мех и нетканые материалы). Разнообразие свойств исходных материалов для дублирования обеспечивает различие показателей свойств готового комплексного материала.

В последнее время для верха зимней молодежной обуви используются утепленные материалы, дублированные искусственным мехом. В качестве лицевых материалов можно

использовать трикотажные полотна, искусственная замша, искусственная полиуретановая кожа и различные ткани из синтетических волокон. Для лицевых тканей и трикотажных полотен используются полиамидные и полиэфирные волокна. Искусственный мех в изделиях, изготовленных из данных комплексных материалов, является утеплителем, подкладкой и отделкой. Структура этого вида комплексных материалов позволяет изготовлять изделия без использования дополнительных прикладных и подкладочных материалов.

Современные подошвы можно рассматривать как сложные системы, которые не только обладают лучшими защитными свойствами, но и значительно улучшают эргономические свойства обуви. Подошва для современной обуви производится из натуральных и синтетических материалов. Отличительной особенностью полимерных подошв является: хорошая термостойкость при воздействии высоких температур и сохранение эластичности при низких; стойкость к воздействию растворителей, щелочей, кислот, света, микроорганизмов; высокая степень электроизоляции; высокая прочность при разрыве и устойчивость к многократному изгибу. Конкретный полимерный синтетический материал, применяемый для подошвы, имеет свои характеристики, которые обеспечивают различные эргономические свойства обуви. Так, для обеспечения фрикционных свойств обуви при выборе материалов для подошвы необходимо обращать внимание на следующие показатели свойств материала: сцепление с мокрым грунтом и снегом, морозостойкость, термостойкость, устойчивость к многократному изгибу.

Для изготовления подошв, как правило, используются резины, ПУ, ПВХ, ТЭП, ЭВА. Наибольшее распространение получили подошвы из ПУ на основе сложных полиэфиров. Основными преимуществами данного материала являются: хорошая теплоизоляция, устойчивость к истиранию, многократному изгибу и растяжению, воздействию масла, нефти и нефтепродуктов [1]. Подошвы из полиуретана отличаются своей легкостью и эластичностью, что обеспечивает высокие эргономические свойства обуви в целом. Однако до недавнего времени полиуретановые подошвы не

использовались для зимней обуви ввиду их низкой морозостойкости.

В последнее время, ведущими

производителями полиуретана предлагаются зимние полиуретановые системы, способные выдерживать сорокоградусные морозы. Для улучшения потребительских свойств обуви подошва может состоять из двух слоев: монолитного (нижнего слоя) и вспененного (промежуточного). Выпускается в виде формованных подошв, а также в жидком виде (для производства обуви литьевого метода) [1].

Другим популярным в нашей стране материалом, используемым для подошвы, является ТЭП, который сочетает в себе эластичность каучука с термопластичностью термопласта. ТЭП обеспечивают хорошее сцепление подошвы с мокрым грунтом и снегом, обладают меньшей плотностью, чем ПВХ. При эксплуатации обуви ТЭП теряют некоторую часть твердости, приобретенной в процессе переработки в изделия, становятся эластичнее. Характеристики ТЭП позволяют его широко использовать для обуви с улучшенными эргономическими свойствами. Недостатком подошв из ТЭП является невысокая термоустойчивость: при температуре 50-70°С они могут деформироваться в процессе носки.

Использование подошв из ПВХ ограниченно его низкими показателями эксплуатационных свойств: низкой морозостойкостью, большой

массой, определенными трудностями в обеспечении надежности клеевого крепления.

В настоящее время производители полимерных материалов в основном работают над улучшением различным свойств материалов для обуви. Так на рынке появился современный материал группы полимеров (полиуретанов) -термопластичный полиуретан (ТПУ), выполненный на основе сложных полиэфиров, и спецполиуретан или резиноподобный полиуретан (СПУ), который обладает высокой плотностью и вязкостью, как и ТПУ. Подошвы из ТПУ устойчивы к истиранию, разрыву, воздействию агрессивных сред и низких температур, обладают высоким коэффициентом сцепления с поверхностью, высоким

сопротивлением проколу, быстро восстанавливают форму после деформации. СПУ хорошо сопротивляется скольжению, морозостойкий, крепкий и прочный, устойчив к истиранию. СПУ как материал является более дорогим, чем ПУ, но дешевле, чем ТПУ.

Еще более современный материал -

вспененный ТПУ, который также служит материалом для промежуточного слоя (в

комбинациях с монолитным). Выпускается в виде формованных подошв, а также в гранулированном виде (для производства обуви литьевого метода).

Для улучшения фрикционных и амортизационных свойств подошв производителями предлагается использование различных состояний материала: монолитного и пористого, в

конструкциях подошв.

Так, например, производятся двухслойные подошвы из ПУ, состоящие из пористого

внутреннего и монолитного наружного слоев. Двухслойные подошвы могут также изготавливаться с использованием двух различных материалов, например, ПУ и резины, ПУ и ТПУ и т.д., при этом промежуточный слой из пористого (вспененного) материала, а ходовой из монолитного. Монолитный ТПУ имеет высокую плотность и, как следствие, повышенный вес изделия, пониженные

эластичность и теплоизоляцию, поэтому его используют для ходовой поверхности подошвы. Толщина ходового слоя подошвы из ТПУ может быть не более 2 - 3 мм.

Использование комбинаций материалов для подошвы улучшает потребительские свойства обуви и при этом подошве придаются свойства, присущие материалу нижнего (ходового) слоя, в зависимости от ее назначения. Например, сложная подошва из ПУ и ТПУ устойчива к истиранию, обладает повышенным сцеплением со скользкой поверхность, отличается повышенной легкостью, прочностью, низкой теплопроводностью и морозоустойчивостью. Подошвы с низом из резины и промежуточным слоем из вспененного полиуретана позволяют снизить вес и улучшить амортизацию. Использование ЭВА в качестве промежуточного слоя подошвы позволяет добиться необходимой легкости, мягкости и эластичности подошвы, надежного скрепления ее с верхом обуви. Благодаря пенообразному составу, обувь на ЭВА-подошве хорошо пружинит, легко восстанавливает свои формы при обратной деформации, сохраняет тепло, не пропускает холод, но, через некоторое время, подошва потеряет амортизационные

характеристики. Для промежуточного слоя подошвы может использоваться материал по названием «8а1ра», содержащий не менее 75% волокон кожи, которые связаны резиновым латексом и спрессованы в листы различной толщины.

Использование полимерных материалов в производстве обуви расширяет границы ее использования и дает возможность изменять свойства обуви в широких пределах. Свойства полимерных материалов определяются

соотношением входящих в их состав мягчителей, наполнителей, порообразователей, стабилизаторов, красителей и т. п. Варьируя данные компоненты можно получить широкий ассортимент материалов, отвечающих тем или иным требованиям, и обеспечивающих улучшенные эргономические свойства обуви. Наиболее перспективными полимерными материалами, позволяющими

модифицировать свойства обуви, являются, в первую очередь, полиуретаны, термоэластопласты, резины, используемые для подошвы, а также полиамиды и полиэфиры - для текстильных материалов для верха обуви.

Литература

1. Никитина Л.Л. Современные полимерные материалы, применяемые для низа обуви / Л.Л.Никитина, Г.И.Гарипова, О.Е.Гаврилова // Вестник

технологического университета. - 2011. - №6 - С.150-155.

2. Перепёлкин К.Е. Современные химические волокна и

перспективы их применения в текстильной

промышленности / К.Е.Перепёлкин //Российский химический журнал. - 2002, т. ХЬУІ. - № 1 - С.31-48.

3. Никитина Л.Л. Полимерные материалы в обуви с улучшенными эргономическими характеристиками / Л.Л.Никитина, Т.В. Жуковская, Р.М. Галялутдинова //

Вестник технологического университета. - 2012, Т.15 -№7 - С.121-124.

4. Характеристика анатомо-биомеханического состояния стопы: Методическое пособие. Часть II - М.: МГАЛП, 1998.

© Л. Л. Никитина - канд. пед. наук, доц. каф. конструирования одежды и обуви КНИТУ; О. Е. Гаврилова - канд. пед. наук, ст. препод. той же кафедры, naik@bk.ru.