Исследование потребительских свойств иглопробивных нетканых утеплителей

Товароведение

Т.В. ЧАДОВА, Л.А. СЕРЕБРЯКОВА

Исследование потребительских свойств иглопробивных нетканых утеплителей

Исследуются потребительские свойства иглопробивных нетканых материалов различного волокнистого состава, а также свойства вторичного волокнистого сырья, используемого для их производства, с целью расширения области применения этих материалов.

Утилизация непрерывно накапливаемых бытовых и промышленных отходов производства и потребления - острая экологическая и экономическая проблема. В этой связи высокую актуальность приобретают научные исследования в области переработки вторичного сырья, анализа возможностей его повторного использования при производстве товаров народного потребления.

В последнее время в текстильной, швейной и трикотажной промышленности образовались значительные запасы волокнистых отходов производства. Одним из путей переработки таких отходов является их использование в производстве нетканых материалов, которые нашли широкое применение в различных областях техники, строительстве, химической промышленности, медицине и быту. Расход волокнистого сырья при производстве нетканых материалов ниже, чем при производстве соответствующих тканей, что позволяет также снизить материалоемкость продукции. Волокнистые нетканые материалы могут восполнить дефицит натурального сырья и предоставить относительно дешевые материалы, зачастую с уникальными и специфическими свойствами.

В настоящее время широкое распространение в качестве утепляющих материалов получили прокладочные утепляющие материалы типа ватинов. Однако сложившийся ассортимент ватинов не удовлетворяет требованиям потребителей в отношении основных потребительских свойств этих материалов.

Задачей данного исследования является разработка эффективных нетканых материалов для утепления и изучение их основных свойств.

На фабрике по переработке вторичных ресурсов ЗАО «Радуга» (г. Владивосток) была выработана опытная партия утепляющих нетканых материалов бытового назначения. Нетканые материалы вырабаты-

вали способом иглопрокалывания холстов из полиамидных волокон или их смеси с волокнами шерсти и хлопка в различном соотношении.

Сырьем для производства экспериментальных иглопробивных нетканых материалов являются отходы местных швейных фабрик (обрезки, лоскут) и рыболовецкой промышленности (сети, канаты). Использование местного вторичного сырья позволит увеличить сырьевые запасы без дополнительных трудовых затрат при одновременном решении экологической задачи по утилизации отходов.

Выбранные компоненты существенно различаются по химическому составу, строению и комплексу свойств. Сочетание в волокнистой смеске волокон разной линейной плотности позволит улучшить потребительские свойства нетканых утепляющих материалов, в частности сопротивление материала различного рода изнашивающим факторам.

С целью установления влияния волокнистого состава на свойства иглопробивных нетканых материалов было выработано три варианта нетканых материалов: 1-й вариант - однородный материал, выработанный из капрона, 2-й и 3-й варианты - двух- и трехкомпонентные нетканые материалы, выработанные из хлопка-капрона и хлопка-капрона-шерсти, соответственно.

Характеристика экспериментальных иглопробивных нетканых материалов (ИНМ) представлена в табл. 1. Структурные характеристики ИНМ даны в табл. 2 и 3.

Таблица 1

Состав смесок для выработки экспериментальных ИНМ

Вариант Компоненты волокнистой смески, %

Полиамид (капрон) Хлопок Шерсть восстановленная

1 100 - -

2 50 50 -

3 40 30 30

Таблица 2

Структурные характеристики ИНМ

Вариант Плотность

Линейная, г/м Поверхностная, г/м2 Объемная, г/см3

1 4,0 249,0 140,0

2 4,2 419,2 160,0

3 3,9 391,6 145,0

Качество готовых ИНМ и их поведение во время эксплуатации зависит от природы волокон и структуры, а также от ориентации составляющих их волокон, поэтому необходимо исследовать свойства исходных волокон.

Основными показателями, характеризующими качество волокна, являются: длина, линейная плотность, разрывная нагрузка, удлинение при разрыве в сухом и мокром состояниях, гигроскопичность, устойчивость к истиранию и др.

Вторичные волокна, используемые для производства ИНМ, подвергались комплексу физико-механических воздействий в различных процессах переработки и эксплуатации (переработка волокон, изготовление ткани, действие различных деформаций при эксплуатации изделий из них, воздействие водной среды и факторов светопогоды и, наконец, регенерация, т.е. разволокнение, которое приводит к сильному повреждению волокон). Каждый из этих процессов повлиял на изменение свойств волокон.

Изучение вторичного сырья проводили в исследовательской лаборатории фабрики ЗАО «Радуга» по стандартным методикам. Перед испытаниями волокна выдерживали в стандартных климатических условиях при относительной влажности воздуха 65 ±2% и температуре -20±2оС.

Показатели основных свойств вторичных волокон, используемых для производства экспериментальных ИНМ, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Свойства вторичных волокон, используемых для производства экспериментальных ИНМ

Прочность Разрывная нагрузка, сН Удлинение, % 3

Волокно Объемная, г/см3 Линейная, текс Сухое волокно Мокрое волокно Сухое волокно Мокрое волокно Устойчивость к истиранию, ци Влажность, %

Полиамид (капрон) 1,14 0,30 45,0±2 90 25±2 8 8800 4±0,5

Хлопок 1,52 0,20 32,0±3 110 7±2 8 900 6±0,5

Шерсть 1,32 0,33 13,5±2 76 35±1 50 800 17±0,5

Проведенные исследования вторичных волокон показали (табл. 3), что устойчивость к истиранию у капроновых волокон является наибольшей по сравнению с хлопковыми и шерстяными, показатель разрывной нагрузки у капроновых волокон превышает этот же показатель у волокон хлопка и восстановленной шерсти. Волокна восстановленной шерсти имеют низкую по сравнению с капроном и хлопком разрывную нагрузку и наибольшее удлинение волокна - следовательно, механические свойства волокон восстановленной шерсти в процессе эксплуатации и переработки снижаются. Волокна шерсти становятся менее прочными, уступая даже волокнам хлопка по показателю разрывной нагрузки в 2,3 раза. Показатель разрывного удлинения вторичных волокон капрона, хлопка и шерсти после переработки и эксплуатации этих волокон не изменился.

В процессе обработки волокон на чесальной машине их длина практически не изменяется, тогда как при иглопрокалывании она уменьшается. Определение длин волокон проводили вручную с помощью мил-

лиметровой линейки по ГОСТ 10213.4-73 «Волокно и жгут химические. Метод определения длины». Степень извитости волокон определяли по методике, изложенной в ГОСТ 13411-90 «Волокно и жгут химические. Методы определения извитости».

Исследования длины и извитости вторичных волокон показали (табл. 4), что вторичные волокна капрона, шерсти и хлопка неравномерны по длине. Волокна при иглопрокалывании теряют свою первоначальную длину в среднем на 5%, но все же имеют достаточную длину для получения нетканых материалов с высокой прочностью. Вторичные волокна капрона в отличие от волокон восстановленной шерсти имеют почти в 3 раза более высокую разрывную нагрузку и в 2 раза превосходят по длине волокна хлопка и шерсти.

Таблица 4

Средняя длина и извитость волокон исследуемых ИНМ

Длина волокон, мм Коэф. Изви- Степень Коэф.

Волокно до игло- после вариа- тость извито- вариа-

прокал. игло- ции волокон, сти, ции

прокал. V, % мм % V, %

Полиамид (капрон) 80,7 77,2 35,1 6,6 9,4 4,9

Хлопок 36,3 35,5 11,0 7,8 28,3 1,3

Шерсть 45,4 42,3 26,4 12,8 43,2 7,2

Благодаря извитости волокон повышаются силы сцепления и трения между ними, увеличивается прочность материала. Наибольшую извитость, как показали исследования (табл. 4), имеют волокна восстановленной шерсти - 43,2%. Таким образом, цепкие и извитые волокна шерсти обеспечат более высокую сцепляемость структуры волокнистого холста.

Наименьшую величину извитости имеют вторичные волокна капрона. По физико-механическим показателям капроновые волокна округлые, гладкие, совсем не извитые, что обусловливает пониженную сцепляемость их с другими волокнами. Однако проведенные нами исследования показали, что вторичные капроновые волокна обладают небольшой степенью извитости (9,4%), которую они, по-видимому, приобрели в процессе операций кручения при производстве сетей и канатов и при их эксплуатации, а также оставаясь длительное время в таком состоянии. В результате структура волокон изменилась, что придало им новые положительные свойства.

Преимущество используемых для производства иглопробивных нетканых материалов вторичных отходов также в том, что они имеют разную линейную плотность, а следовательно, и разную площадь поперечного сечения, что дает возможность получения из таких волокон нетканых материалов высокой пористости (табл. 5).

Проведенные исследования вторичных волокон дают возможность заключить, что они хотя и уступают первичным по своим свойствам, тем не менее имеют достаточную прочность, извитость, длину, хорошие фи-

зико-механические свойства и могут быть использованы для производства ИНМ бытового и технического назначения.

С целью анализа качества экспериментальных ИНМ были проведены лабораторные исследования. Анализировались наиболее значимые показатели потребительских свойств нетканых материалов (табл. 5). Работы проводили в исследовательской лаборатории ВНИИПИК (Москва), в испытательном лабораторном центре Госсанэпиднадзора по Приморскому краю (Владивосток) и на кафедре товароведения и экспертизы непродовольственных товаров ДВГАЭУ.

Таблица 5

Потребительские свойства экспериментальных ИНМ

Свойство Вариант

1 2 3

Поверхностная плотность, г/м2 249,0 419,2 391,6

Толщина, мм 2,9 2,3 2,0

Разрывная нагрузка, Н

продольное направление 403,0 217,3 243,1

поперечное направление 505,1 228,0 250,8

Разрывное удлинение, %

продольное направление 63 71 64

поперечное направление 89 63 92

Жесткость, сНхсм2

продольное направление поперечное направление 0,28 0,31 0,28 0,38 0,20 0,21

Объемная плотность, г/см3 140 160 145

Общая пористость, % 94,8 92,3 92,0

Изменение линейных размеров, %

продольное направление 0,74 1,03 0,69

поперечное направление 0,26 0,39 0,38

Напряженность электростатического поля, кВ/м 2,7 2,4 2,2

Сорбционные свойства:

гигроскопичность, % влагоотдача, % 4,49 3,32 5,89 4,2 6,88 5,01

капиллярность, мм 12,0 9,8 9,0

Проницаемость: коэф. воздухопроницаемости, дм3/(м2 с) коэф. паропроницаемости, мг/м2 с 47,2 14,0 53,7 14,3 69,3 14,8

Температуропроводность, м2/с 1,8-10-7 2,24-10-7 1,7-10-7

Коэф. теплопроводности, Вт/мград 0,040

Объемная теплоемкость, дж/м3град 2,22-105 2,27-105 2,60-105

Удельная теплоемкость, дж/кг-град 1,58-103 1,42-103 1,86-103

Тепловое сопротивление, м2 град/Вт 7,25-10-2 4,6-10-2 4,26-10-2

При проведении комплексного исследования потребительских свойств экспериментальных ИНМ было установлено существенное различие материалов по показателям разрывной нагрузки и удлинения в различ-

ных направлениях (табл. 5), что объясняется неоднородностью их волокнистого состава.

Результаты определения разрывной нагрузки показали, что наиболее прочными как в продольном, так и в поперечном направлении являются ИНМ, выработанные из 100%-го капрона: их показатели превосходят полученные значения разрывной нагрузки ИНМ, выработанных из хлопка-капрона и хлопка-капрона-шерсти, в 1,9 и 1,7 раза в продольном направлении и в 2,2 и 2 раза в поперечном направлении, соответственно. Видимо, это обусловлено наличием в составе смесок волокон шерсти и хлопка, обладающих меньшей прочностью, чем волокна капрона. ИНМ, выработанные из хлопка-капрона и хлопка-капрона-шерсти, имеют приблизительно одинаковые значения разрывной нагрузки.

Величина разрывной нагрузки нетканых материалов более высокая в поперечном направлении, что объясняется особенностью их производства: именно так ориентирован волокнистый холст, поскольку его игло-прокалывание производится в поперечном направлении. Следовательно, в этом направлении ИНМ обладают лучшими прочностными свойствами.

Все экспериментальные иглопробивные нетканые материалы удовлетворяют требованиям нормативной документации, предъявляемым к утепляющим материалам по показателям жесткости, электрического сопротивления, по термическим свойствам, изменению линейных размеров. Высокая сорбционная способность гидрофильных волокон шерсти является их важным преимуществом по сравнению с невысокой гидро-фильностью полиамидных волокон, обладающих малой гигроскопичностью. Исследуемые нетканые материалы имеют невысокую гигроскопичность (табл. 5). Капиллярность нетканых материалов, выработанных из 100%-го капрона, ниже, чем у двух других экспериментальных нетканых материалов, что объясняется отсутствием функциональных групп в макромолекулах капронового волокна: притяжение влаги у них осуществляется в основном действием дисперсионных сил.

Иглопробивные нетканые материалы, выработанные из смеси хлопок-капрон-шерсть, имеют лучшие показатели влагоотдачи в связи с тем, что шерстяное волокно медленнее отдает поглощаемую гигроскопическую влагу, чем гидрофильное волокно хлопка, а тем более капроновое волокно. Волокна шерсти даже при значительном поглощении влаги могут оставаться сухими на ощупь и не вызывать неприятных ощущений, они легко отталкивают воду вследствие большого объема воздуха, заключенного в волокнах шерсти. В этом отношении трехкомпонентный нетканый материал будет поддерживать наибольшее постоянство условий тепла и влажности около тела человека, т.к. быстрое высыхание одежды также нежелательно - оно вызывает интенсивное охлаждение поверхности тела. Таким образом, иглопробивной нетканый материал, выработанный из хлопка-капрона-шерсти, будет обеспечивать медленное испарение влаги и равномерный теплосъем, что способствует меньшему обезвоживанию организма человека.

Исследуемые ИНМ имеют близкие значения пористости, вследствие чего обладают достаточной для утепляющих материалов воздухопроницаемостью. Нетканые материалы, выработанные из 100%-го ка-

прона, обладают наибольшей общей пористостью (94,8%) вследствие того, что волокна капрона имеют низкую площадь поперечного сечения, т.е. более тонкие волокна более плотно расположены в материале, чем более толстые волокна хлопка и шерсти.

Из табл. 5 видно, что наибольшую объемную плотность имеют нетканые материалы, выработанные из хлопка-капрона, вследствие наибольшей линейной плотности волокон хлопка (1,52 г/см3). Это объясняет и наибольшую теплопроводность нетканых материалов из хлопка-капрона по сравнению с двумя другими исследуемыми материалами, а также их наибольшую температуропроводность.

Потребитель должен быть уверен в качестве и «экологической чистоте» приобретаемой продукции, он должен быть убежден, что эта продукция не представляет угрозы для его здоровья, не выделяет вредных веществ аллергического действия.

При проведении токсикологического исследования установили, что сырьевой состав нетканых материалов не стимулирует развитие микроорганизмов и является неблагоприятной средой для их роста. Согласно методике, изложенной в «Методическом указании по гигиенической оценке полимерных материалов» № 10353-76, допустимая степень токсичности иглопробивных нетканых материалов находится в пределах 20%. Индекс токсичности всех трех вариантов экспериментальных ИНМ не превышает установленных норм, исследуемые материалы имеют допустимую степень токсичности (7,90-11,29%), что подтверждено протоколами лабораторных испытаний на токсикологическое исследование ИНМ от 15.04.03 № 242, 243, 244 Государственной санитарно-эпидемиологической службой РФ по Приморскому краю.

В последние годы существенно возросли роль и значение экологической безопасности текстильных материалов. В глобальном процессе загрязнения нефтепродуктами среды обитания одно из лидирующих мест занимает Дальневосточный регион РФ, промышленный потенциал которого во многом определяется морскими технологиями, в частности ры-бохозяйственной деятельностью добывающих предприятий. Особое место в процессе антропогенного воздействия занимает флот рыбной промышленности. Работа силовых и вспомогательных механизмов судов сопровождается появлением жидких отходов, содержащих судовые топлива и отработанные масла. В связи с тем что сырьем для производства экспериментальных ИНМ явились отходы рыбной промышленности (сети, канаты), которые долгое время находились в морской воде, считаем необходимым исследование радиоактивности нетканых материалов.

По результатам измерения активности техногенных радионуклидов экспериментальные ИНМ признаны соответствующими требованиям СанПиН 2.3.2.560-96 по радиационному признаку (значение показателя соответствия нетканых материалов критериям радиационной безопасности). Иглопробивные нетканые материалы имеют удельные активности естественных радионуклидов и техногенного радионуклида цезия-137, не превышающие гигиенический норматив, регламентируемый НРБ-99, что подтверждено протоколами радиологического исследования от 23.04.02

№ 471, 472, 473, проведенного Государственной санитарно-эпидемиологической службой РФ по Приморскому краю.

В результате анализа полученных данных по комплексному исследованию основных свойств экспериментальных ИНМ установлено, что вторичное сырье, используемое для их производства, имеет достаточную прочность, хорошие физико-механические свойства, длину, извитость и может быть использовано для производства ИНМ бытового назначения.

Исследуемые ИНМ обладают хорошими механическими свойствами. Хотя иглопробивные нетканые материалы 2-го и 3-го вариантов, выработанные из смеси хлопок-капрон-шерсть и хлопок-капрон, по прочностным показателям уступают нетканым материалам, выработанным из 100%-го капрона, но выгодно отличаются по всем показателям гигиенических свойств, причем наиболее высокие показатели этих свойств обнаруживают ИНМ, выработанные из смеси хлопок-капрон-шерсть.

Хорошие гигроскопические свойства, воздухопроницаемость, лучшие показатели влагоотдачи этого полотна способствуют обеспечению благоприятного пододежного микроклимата. Экспериментальные ИНМ не имеют специфического запаха, не выделяют в окружающую среду биологически-активных химических веществ, не накапливают на своей поверхности статическое электричество выше 15 кВ/м и не превышают нормы радиационной безопасности, имеют допустимую степень токсичности. Исследуемые материалы относятся к «практически безусадочным», теплозащитные свойства нетканых материалов удовлетворяют требованиям ЦНИИШП, предъявляемым к утеплителям.

Наиболее полно, на наш взгляд, требованиям соответствующих стандартов на утепляющие материалы соответствует 3-й вариант иглопробивного нетканого материала, выработанный из хлопка-капрона-шерсти.

Авторами были проанализированы данные научной литературы [17] по выпускаемым российской промышленностью утепляющим материалам, что позволило определить показатели потребительских свойств нетканых материалов соответствующего назначения.

По сравнению с действующим в настоящее время ассортиментом утепляющих материалов экспериментальные ИНМ превосходят ватины по показателям разрывной нагрузки в 2,5 раза, имеют близкие значения воздухопроницаемости (50-70 дм3/(м2с)) и общей пористости (90-97%), а также в 2 раза превосходят значения по показателю паропроницаемости, обладают близкими значениями коэффициента теплопроводности и суммарного теплового сопротивления, в 1,5 раза большую объемную плотность и в 2 раза меньшую толщину волокнистого холста, что позволяет создавать облегченные утеплители с необходимыми теплозащитными свойствами.

Таким образом, производство двух- и трехкомпонентных утепляющих иглопробивных нетканых материалов для одежды, выработанных из смеси вторичных волокон - капрона, хлопка-капрона и хлопка-капрона-шерсти (в соотношении 100, 50:50 и 30:40:30, соответственно), признано целесообразным. Иглопробивной нетканый материал, вырабо-

танный из хлопка-капрона-шерсти, по всем показателям основных свойств является лучшим утепляющим материалом.

Экспериментальные ИНМ соответствуют требованиям, предъявляемым к утепляющим прокладочным материалам для верхней зимней одежды.

Литература

1. Белозеров Б.П. и др. Влияние режима иглопрокалывания на свойства нетканых иглопробивных полотен из капроновых нитей: Сб. трудов ВНИИМСВа. 1978. Т. 33. С. 146-153.

2. Гензер М.С. Производство нетканых полотен: Учеб. пособие для вузов. М.: Лег. пром-сть, 1982. 248 с.

3. Исследования по созданию нового ассортимента, совершенствованию технологических процессов и улучшению качества нетканых материалов: Сб. науч. трудов / Под ред. к.т.н. Б.В. Заметта / ЦНИИТЭИлегпром. М., 1988.

4. Корицкий К.И. Методы проектирования свойств тканей новых структур: Науч. труды ЦНИИХБИ. М., 1961. С. 28-34.

5. Методические указания по оценке качества и изучению свойств нетканых полотен / ЦНИИТЭИЛегпром. М., 1991.

6. Свойства, измерения, испытания и контроль качества текстильных материалов и изделий / ЦНИИТЭИлегпром. М., 1988.

7. Ходжаев М., Исаев А.И., Хайдаров А.А. Нетканые материалы и их применение в народном хозяйстве // Обзор. информация / УзНИ-ИНТИ. Ташкент, 1989. С. 50.

© Чадова Т.В., Серебрякова Л.А., 2004 г.