Текстильный многослойный теплоизолирующий материал для вкладного утепляющего чулка в зимнюю обувь
MULTILAYER HEAT-INSULATING TEXTILE MATERIAL FOR AN INSERTED WARMING STOCKING FOR WINTER FOOTWEAR

Область техники
Изобретение относится к текстильной промышленности, а именно, к производству многослойных теплоизолирующих материалов, применяемых при производстве зимней обуви специального назначения, используемой в экстремальных условиях для защиты ног при температуре до минус 60°С, преимущественно, в качестве рабочей обуви и обуви используемой на охоте, рыбной ловле и других видах активного зимнего отдыха и может быть использовано для изготовления утепленных зимних сапог. В частности, изобретение может найти применение в качестве вкладного утепляющего чулка для зимней обуви, например, сапог.
Уровень техники
В связи с различными климатическими условиями нашей страны и увеличения контингента работающих на открытом воздухе в северных условиях, для защиты человека от воздействия низких температур должна изготавливаться специальная обувь, которая обеспечивала бы создание комфортных условий в течение того периода носки, который обусловлен режимом нахождения человека в этих условиях.
Утепленная спецобувь должна обладать определенным набором защитных свойств, которые обеспечивали бы безопасность рабочего в конкретных «специальных» условиях.
Кроме того, необходимо помнить и о комфортности обуви, а это - способность обуви к поддержанию микроклимата, наиболее благоприятного для стопы (температура, влажность, биологические факторы).
Температура воздуха внутри обуви имеет большое значение для физиологических функций человека, его самочувствия и работоспособности.
Обувь, спроектированная с учетом климатических особенностей, расширит зону комфорта, повысит трудоспособность, а в отдельных случаях предохранит от некоторых заболеваний.
Известно, что переохлаждение ног ведет к массовым простудным заболеваниям, а если взять экстремальные случаи охлаждения человека - отморожения, то в семи случаях из каждых десяти страдают нижние конечности. От того, в каких условиях находятся стопы людей, зависит самочувствие человека и производительность труда рабочих разных профессий.
Однако, даже если организм человека и не подвергается действию холода в такой степени, что наступает обморожение, то весьма часто охлаждение организма, в том числе и конечностей, вызывает болезненные явления, различные простудные заболевания.
Нужно отметить огромную роль стопы, которая является большим «резервуаром тепла» и участвует в теплообмене организма.
Изменение температуры конечностей играет роль буфера для организма в целом и обеспечивает постоянство температуры висцеральных органов и их нормальную работу.
Наилучшими текстильными теплоизолирующими материалами являются такие волокнисто-пористые материалы, которые содержат в своей структуре большое количество закрытых пор, наполненных воздухом.
Ниже в таблицах 1 и 2 представлены тепловые характеристики некоторых материалов, используемых при производстве обуви, а также воды и воздуха [см. «Особенности защиты человека от воздействия низких температур: монография», под общей редакцией проф. В.Т. Прохорова, Шахты: издательство ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2008. - 316; Филиппов А.Д., Шустов Ю.С. «Исследование тепловых свойств утепляющих материалов для обуви», Сборник научных трудов посвященных 75-летию кафедры материаловедения и товарной экспертизы. М.: РГУ им. А.Н. Косыгина, 2019. - С. 54-61; Белоусов В.П. «Методика и пример теплового расчета зимней обуви», Кожевенно-обувная промышленность. - 1989. - №2. - С. 70-73].
Иглопробивные нетканые материалы, натуральные, синтетические и искусственные меха содержат в своей структуре преимущественно открытые поры, поэтому задачей данного изобретения являлось создание теплозащитного материала для обуви с преимущественно закрытыми порами, но с сохранением его паропроницаемости, воздухопроницаемости, гигиенических и деформационно-прочностных свойств.
В результате использования полимерных металлизированных пленок, отражающих тепло, выделяемое стопой человека, увеличивается суммарное тепловое сопротивление благодаря эффекту «термоса», а перфорирование пленок иглами при соединении слоев позволяет сохранить необходимую проницаемость материала и обеспечить комфортный влагообмен в подобувном пространстве [см. патент RU 2692274 С1, опубликован 24.06.2019].
На данный момент известно множество разработок, направленных на создание различных изделий для утепления обуви, в частности, утепляющих носков или чулок.
Из патента на полезную модель RU 24075 U1, опубликованного 27.07.2002, известны зимние сменные стельки для обуви из пористого материала, при этом стельки выполняются двухслойными, а между слоями расположена гибкая с двусторонним отражением теплового излучения пленка или фольга с коэффициентом отражения не менее 0,8, причем стельки выполнены в виде сменных носков.
Из патента на полезную модель RU 58307 U1, опубликованного 27.11.2006, который может быть принят в качестве прототипа, известны комбинированные сапоги для охотников и рыболовов, содержащие резиновую галошу с рифленым низом. Голенище сапога выполнено из резинотекстильного материала пристрачивается к резиновой галоше, резиновые ленточки наклеенные и пристроченные на соединительные швы усиливают эффект непромокаемости сапог. Сверху голенище заканчивается пристрачиваемой манжетой и стягивается шнуром, вкладываемый вовнутрь утепляющий чулок состоит из голенища, на пяточную части с настроченным задником и втачной стелькой. Вкладной чулок в сапог выполняется из войлока, для изготовления которого, как известно давно использовалась овечья шерсть (см. Кирсанова P.M., «Костюм в русской художественной культуре 18 - первой полвины 20 в.в.», Большая Российская энциклопедия, 1995 г., стр. 295, кол. 1).
Недостатком известных чулок является неудовлетворительные теплозащитные и иные свойства и комфортность для потребителя, вследствие чего является затруднительным и неэффективным использовать такие изделия при температуре до минус 60°С.
Таким образом, задачей данного изобретения является преодоление недостатков известного уровня техники и создание утепляющего материала для зимних сапог, способного эффективно предохранять ноги от обморожения при температурах до минус 60°С.
Перечень чертежей
На фиг. 1-3 представлены таблицы с изображениями сравнительных образцов заявленного материала и известного.
Раскрытие изобретения
Технической задачей данного изобретения является создание утепляющего материала для зимних сапог с повышенными эксплуатационными характеристиками, в первую очередь теплозащитными свойствами многослойного текстильного материала за счет повышения его теплового сопротивления и повышение комфортности для ноги его пользователя. Материал эффективно предохраняет ноги от обморожения при температурах до минус 60°С. Также данное изобретение позволяет расширить ассортимент изделий указанного назначения.
Для достижения указанного технического результата и решения поставленной технической задачи предложен многослойный текстильный теплоизолирующий материал, который выполнен гибким и включает в себя (состоит, как минимум, из пяти слоев) лицевой слой в виде полимерной металлизированной пленки, второго слоя в виде нетканого полотна из химических волокон, третьего слоя в виде полимерной металлизированной пленки, четвертого слоя в виде нетканого полотна из верблюжьей шерсти, пятого слоя (внутреннего слоя обращенного к стопе) в виде искусственного меха из верблюжьей шерсти, причем первые четыре слоя скреплены иглопробивным способом, а пятый слой присоединен к первым четырем слоям клеевым способом.
Более конкретно предложен текстильный многослойный теплоизолирующий материал для вкладного утепляющего чулка в зимнюю обувь, в частности, сапоги, состоящий из пяти слоев:
- первого (лицевого, обращенного к изнанке обуви) слоя полимерной металлизированной пленки толщиной 25-120 мкм;
2
- второго слоя нетканого материала из полиэфирных волокон поверхностной плотностью 200-350 г/м;
- третьего слоя полимерной металлизированной пленки толщиной 25-120 мкм;
2
- четвертого слоя нетканого полотна из шерсти, предпочтительно верблюжьей, поверхностной плотностью 250-600 г/м с возможным добавлением до 20% полиэфирных волокон;
2
- пятого (внутреннего, обращенного к стопе человека) слоя - искусственного меха из шерсти, предпочтительно верблюжьей, поверхностной плотностью 400-680 г/м и высотой ворса 12-25 мм с возможным добавлением до 20% полиэфирных волокон,
при этом первые четыре слоя скреплены иглопробивным способом, а пятый слой присоединен к первым четырем клеевым способом.
Заявленный технический результат достигается за счет строения и состава многослойного материала.
Первый слой (внешний), представляющий из себя металлизированную пленку, служит барьером на пути холодного воздуха из подобувного пространства к стопе и одновременно отбивает тепло назад по направлению к ноге. Кроме того, не препятствует отводу конденсата за счет перфорации.
Второй слой, представляющий из себя иглопробивной нетканый материал из полиэфирных волокон, помимо теплоизолирующей функции обеспечивает необходимую вентиляцию и отвод конденсата от стопы.
Третий слой, представляющий из себя металлизированную пленку, выполняет функции аналогичные первому слою.
Первый и третий слои уменьшают процесс возврата к стопе сконденсированной влаги, отсекая ее и не препятствуя отводу пара во внешние слои, исключают рассеяние накопленного тепла за счет лучистого отражения во внутреннем объеме обуви, что повышает температуру слоя, контактирующего со стопой. Помимо этого, эти слои увеличивают суммарное тепловое сопротивление.
Четвертый слой, представляющий из себя иглопробивной нетканый материал из верблюжьей шерсти, очеса или пуха, выполняет теплоизолирующую функцию.
Пятый слой (внутренний), представляющий из себя искусственный мех на трикотажной основе, выполненный из верблюжьей шерсти, очеса или пуха выполняет теплоизолирующую функцию.
Четвертый и пятый слои обеспечивают перенос влаги от стопы в вышележащий слой, сохраняют тепло даже при намокании, хорошо впитывают влагу, оставаясь на ощупь сухими, обеспечивая сухое тепло.
При соединении указанных функциональных слоев образуется многослойная система, которая обеспечивает стопу комфортными условиями при любых температурах.
При этом первые четыре слоя скреплены иглопробивным способом Процесс скрепления осуществляется на иглопробивных машинах. Процесс иглопробивания холста основан на использовании давления зазубрин (насечек) игл, которые, проходя через холст, протягивают (перепутывают) волокна в поперечном направлении. Таким образом, рабочим органом иглопробивной машины являются пробивные иглы. Качество и вид вырабатываемой продукции во многом зависит от качества применяемых игл. Конструкция и размеры игл определяют параметры технологического процесса: глубину прокалывания, плотность прокалывания и т.п. Специалист в данной области без труда подберет необходимые режимы иглопробивной машины для создания изделия с необходимыми параметрами.
Пятый слой материала присоединен к первым четырем клеевым способом. При этом может быть использован любой нетоксичный клей, применяемый в обувной промышленности.
В качестве натуральных материалов в чулке согласно изобретению может быть в принципе использована любая шерсть животного происхождения, ввиду того, что любая шерсть животного происхождения обладает теплоизолирующими и теплоаккумулирующими свойствами, однако, преимущественно, использована верблюжья шерсть.
Если сравнивать структуру овечьей и верблюжьей шерсти, то первая имеет большую плотность, покрыта мелкими чешуйками и сильно извита. Что касается второй (верблюжьей), то она невероятно легкая за счет полой структуры волоса.
Такая структура шерсти обеспечивает наименьшую теплопроводность и позволяет шерсти удерживать тепло, не выпуская его наружу, но в то же время не мешать естественной циркуляции воздуха. Верблюжья шерсть дает сухое тепло, устраняя лишнюю влагу, мгновенно впитывая ее. Наружная поверхность волокон верблюжьей шерсти устойчива к проникновению влаги, а внутренняя обладает абсорбирующими свойствами до 30% собственного веса (рекомендовано людям с повышенной потливостью, с ослабленной иммунной системой, престарелым людям, как профилактика простуд).
Верблюды выносят температурные перепады до 50 градусов, но их кожа все время имеет постоянную температуру. Благодаря своей шерсти верблюды отлично справляются с колебаниями температур. За счет высокой гигроскопичности верблюжья шерсть обеспечивает тело сухим теплом - именно оно защищает животное в естественных условиях от перегрева и переохлаждения. Поэтому в изделиях из нее человек никогда не потеет.
Сухое тепло, выделяемое изделием, подходит для ношения людям с повышенной потливостью.
Верблюжья шерсть и пух ценятся не только за уникальные технические характеристики (прочность, теплоизоляция, гигроскопичность), но и целебные свойства. Этот материал используют для лечения множества заболеваний - артрита, ревматизма, радикулита. Считается, что он может снимать воспаление, обладает обезболивающим эффектом. Он является экологически чистым гипоаллергенным продуктом, поэтому при контакте с кожей не появляется раздражения, покраснения даже после продолжительного ношения.
Верблюжья шерсть и пух не электризуются и лучше других снимают статическое напряжение, имеют способность отталкивать пыль.
Остаточный ланолин, содержащийся в шерсти, благотворно воздействует на кровеносную систему, способствует улучшению состояния кожи, укреплению мышц и суставов, выведению токсинов из организма. Ланолин улучшает общее состояние, снимает некоторые воспаления, периодические мышечные боли. Верблюжья шерсть является природным антисептиком.
Незаметное воздействие верблюжьей шерсти на кожу заключается в микромассаже. Мелкие ворсинки обеспечивают деликатный массаж кожи, благодаря которому стимулируется кровообращение, устраняются воспалительные процессы на коже, отеки.
В отличие от аналогичных материалов, за шерстью этого животного легко ухаживать, она не скатывается даже после продолжительной эксплуатации.
При низких температурах влага, испаряющаяся с поверхности стопы, конденсируется и впитывается внутренними поверхностями вкладыша (4 и 5 слои) до 33% от собственного веса на ощупь оставаясь сухими, при этом воздух находящийся в полых волокнах верблюжьей шерсти является естественной теплоизоляцией между стопой и внешними слоями вкладыша.
Гигроскопичность, то есть способность поглощать влагу (пот), является очень важным свойством шерсти. По этому показателю шерсть превосходит все натуральные, искусственные и синтетические волокна.
Вместе с тем, сложная конструкция заявленного чулка даже при выполнении его элементов из овечьей шерсти, также превосходит по своим характеристикам наиболее близкий аналог, в котором чулок выполнен из однослойного войлока, т.е. из овечьей шерсти.
Использование слоев с определенной толщиной слоя, поверхностной плотности и высотой ворса обусловлено созданием чулка определенной комфортной толщины, которая не теряет своих тепловых свойств, является комфортным для пользователя по ощущениям. Использование меньшей, чем заявлены, толщины слоев не дает желаемого эффекта по теплозащите. Такой материал является слишком тонким, чтобы обеспечить защиту в сильные морозы (до минус 60°С).
Ниже приведены примеры, подтверждающие заявленный технический результат.
Осуществление изобретения
Возможность осуществления изобретения была подтверждена проведенными испытаниями.
Пример 1.
Был составлен теплоизоляционный материал в соответствии с формулой изобретения. Компоновка слоев указанного материала приведена ниже.
1 слой: полимерная металлизированная пленка толщиной 40 мкм;
2
2 слой: войлок иглопробивной поверхностной плотностью 200 г/м из 100% полиэфирного волокна 7De*64mm;
3 слой: полимерная металлизированная пленка толщиной 40 мкм;
2
4 слой: войлок иглопробивной поверхностной плотностью 550 г/м из 80% шерсти верблюда и 20% ПЭ волокна;
2
5 слой: искусственный мех на трикотажной основе поверхностной плотностью 520 г/м из 80% шерсти верблюда и 20% ПЭ волокна с высотой ворса 14 мм.
Пример 2.
Материал по структуре аналогичен материалу из Примера 1. Отличием является замена верблюжьей шерсти на мериносовую овечью шерсть в том же процентном соотношении.
Внешний вид образцов представлен в таблице 3 на фиг. 1.
В таблицах 4 и 5 приведены результаты сравнительных испытаний выработанных материалов. На фиг. 2 и 3 приведены таблицы сравнительных испытаний внешнего вида изделий. На фиг. 2 показаны результаты испытаний на истирание, а на фиг. 3 пиллингуемость образцов.
Исследование влияния многоциклового сжатия проводилось на испытательной системе Инстрон серии 4411 с помощью специальной насадки для сжатия. После каждого цикла сжатия измерялась толщина образцов без давления. Толщина после сжатия приведена в таблице 5.
Лучшей стойкостью к истиранию обладает образец 1. После 2000 циклов структура образца существенным образом не была нарушена, только мех начал несколько больше разворсовываться.
Пиллингуемость образцов определялась на приборе Weartester (производства Венгрии, фирма "Метримпекс").
Условия испытаний: диаметр образца - 245 мм; нагрузка на образец - 1,0, 1,5, 2,0 кг, скорость движения нижнего столика с закрепленными образцами - 30 об/мин, движение образца - неориентируемое. Абразив - наждачная бумага или серошинельное сукно диаметром 50 мм.
При определении пиллингуемости (фиг. 3) независимо от влажности образца структура подвергалась изменениям. Наиболее заметным изменениям подверглась структура образца 2.
Анализ результатов экспериментальных данных показывает следующее:
- суммарное тепловое сопротивление у Образца 1 (как в сухом, так и в мокром виде) на 50% превышает показатели Образца 2;
- Образец 1 по своим термическим характеристикам превосходит даже дорогостоящие натуральные меха;
- показатели гигроскопичности, воздухопроницаемости и паропроницаемости у Образца 1 лучше, чем у Образца 2;
- устойчивость к многократному сжатию у Образца 1 значительно выше чем у Образца 2 как в сухом, так и мокром состоянии;
- устойчивость к истиранию у Образца 1 на 32,6% выше, чем у Образца 2;
- прочность при расслаивании у Образца 1 на 14,2 - 18,2% выше, чем у Образца 2;
- все остальные исследуемые показатели находятся в допустимых пределах для данного вида продукции.
Проведенные испытания показывают возможность достижения заявленного технического результата и возможность реализации назначения.