Натуральные и синтетические полимеры в современном производстве обуви

Н. В. Тихонова, Т. В. Жуковская, Л. Ю. Махоткина

НАТУРАЛЬНЫЕ И СИНТЕТИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ В СОВРЕМЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ОБУВИ

Ключевые слова: натуральные полимеры, синтетические полимеры, обувь, свойства,

качество.

В статье рассматривается ассортимент натуральных и синтетических материалов, применяемых в современном производстве обуви. Анализируются их достоинства и недостатки, пути повышения качества.

Key words: natural polymers, synthetic polymers, shoes, properties, quality.

The article considers the range of natural and synthetic materials used in the modern manufacture of footwear. Analyzes their strengths and weaknesses, to and ways to improve quality.

Производство обуви неразрывно связано с применением полимеров как натуральных, так и синтетических.

Одним из самых лучших материалов для изготовления обуви, является натуральная кожа. Известно, что 95% всей кожи, состоит из тесного сплетения тончайших волокон и пучков волокон особого белкового вещества - коллагена, отличающегося очень большой прочностью. Пучки волокон состоят из более тонких структур: протофибрил, субфибрил и филаментов. Наименьшие видимые структурные элементы коллагена - протофибрилы, образованные группами молекулярных цепей. Протофибрилы образуют фибрилы, последние образуют волокна. Между волокнистыми образованиями располагаются межволоконные белки (например, альбумин, глобулин, муцин) и мукополисахариды, которые и скрепляют белковые структуры в пучки волокон. Пучки коллагеновых волокон, высушенные спиртоэфирной смесью (устраняющей склеивание между элементами структуры пучка), имеют предел прочности при растяжении 160 МПа; такие же пучки волокон, но увлажненные и высушенные на воздухе, - 280 МПа при удлинении в момент разрыва 36 и 45%, соответственно. Это весьма значительная прочность, близкая к прочности мягкой железной проволоки. Но самое замечательное в структуре натуральной кожи то, что в ней нет отдельных изолированных волокон, это — сплошная волокнистая вязь, где волокна срощены в отдельных местах, разветвляются и сплетаются самым разнообразным способом. При этом в готовой выделанной коже наблюдается очень большая пористость, достигающая в отдельных случаях 75% от общего объема кожи.

Сочетание волокнистой структуры, большой прочности волокон и высокой пористости определяет все наиболее ценные свойства натуральной кожи. Так, например, кожа, из которой делают верх обуви, выдерживает около 4-5 млн. изгибов и при этом не ломается. Такая высокая прочность на изгиб обусловлена волокнистой структурой кожи и ее высокой пористостью. Пористость натуральной кожи определяет ее высокую проницаемость для воздуха и паров воды, а также высокие теплозащитные свойства, что важно с точки зрения гигиены обуви.

Благодаря волокнистому характеру своей структуры и высокой пористости, натуральная кожа хорошо формуется и при обтягивании ею сложной поверхности обувных колодок образует точную копию формы колодок без каких-либо складок или морщин.

Однако, при всех своих несомненных достоинствах натуральная кожа как материал для обуви имеет ряд существенных недостатков. Основное ее отрицательное свойство -неоднородность по толщине, структуре и плотности, что затрудняет производство стандартной обуви. Кроме того, несмотря на дубление, натуральная кожа сильно намокает и промокает, в результате чего утрачиваются теплозащитные свойства и паропроницаемость. Термостойкость натуральной кожи также невелика. Даже при самых лучших видах дубления натуральная кожа не выдерживает без ухудшения свойств нагрева до 110°С, а при температурах 130°С и более свертывается. Поэтому из нее нельзя изготавливать специальные виды обуви (например, для пожарников или рабочих горячих цехов металлургических заводов и др.). Если говорить о сопротивлении истираемости кожаных подошв и каблуков, то оно также невелико и может обеспечить носку обуви без ремонта лишь не более 5-6 месяцев. Указанные недостатки предопределили поиск альтернативных материалов для обуви, хотя для дорогих видов модельной обуви натуральная кожа остается основным материалом.

Бурное развитие химической промышленности, в том числе полимерной индустрии, начиная с 30-х годов прошлого века, привело к разработке и использованию целого ряда новых синтетических полимерных материалов в производстве обуви.

Так, например, искусственная кожа, будучи на 50-75% дешевле, чем натуральная, обладает сравнимыми функциональными характеристиками и идентичным внешним видом. В то же время, это типичный продукт из полимерных материалов - резин, полиуретанов, латексов и т.д.

Производство искусственных кож получило широкое развитие благодаря успешным исследованиям в области физики, химии высокомолекулярных соединений и организации промышленного выпуска новых полимеров (поливинилхлорида, полиуретана, полиакрилата, синтетических латексов и т. д.), пластификаторов, стабилизаторов, пигментов и других специальных добавок. Разработка новых полимерных материалов позволила создать искусственные кожи различного целевого назначения, отвечающие разнообразным требованиям эксплуатации изделий.

Наибольшее распространение получили искусственные кожи с несущим каркасом из текстильного полотна. Этот каркас-основу (армирующее полотно) либо пропитывают (как это было с первым поколением искусственных кож), либо чаще всего, наносят на поверхность текстиля один или несколько слоев полимерной композиции.

Важным показателем качества искусственных кож является прочность сцепления лицевого слоя с основой. При малом значении этого показателя может происходить отслаивание лицевого слоя, резко ухудшающее внешний вид изделия.

Наряду с хорошими эксплуатационными характеристиками искусственные кожи должны обладать также необходимой паро- и водонепроницаемостью, минимальной теплопроводностью, высокой гигроскопичностью и т. д.

Известно, что большинство высокомолекулярных соединений как гидрофильных, так и гидрофобных обладают очень низкой паропроницаемостью вследствие малой скорости диффузии паров воды, что связано с образованием сплошных пленок этих веществ. Данный недостаток был устранен после разработки методов вспенивания полимеров. Созданы материалы с микропористым покрытием на основе поливинилхлорида, полиуретанов, полиамидов, вспененных латексов, карбоксилсодержащего каучука, которые по своим

характеристикам соответствуют перечисленным требованиям и по внешнему виду даже превосходят натуральную кожу.

Потребительские свойства искусственной кожи определяются структурой армирующей основы, видом и качеством сырья и материалов. Наиболее важными характеристиками основы являются: разрывная нагрузка (продольная и поперечная), удлинение (продольное и поперечное), прочность при прокалывании, сопротивление раздиранию (продольное и поперечное), сопротивление продавливанию, паропроницаемость, износостойкость. Исходя из условий эксплуатации, к текстильным материалам могут предъявляться и специальные требования: теплостойкость, огнестойкость, стойкость к химическим реагентам и др.

Основным компонентом искусственной кожи является пленкообразующая композиция. В современном производстве в качестве пленкообразующих веществ применяются, в основном, синтетические высокомолекулярные соединения: поливинилхлорид, полиуретаны, синтетические латексы, резиновые смеси на основе различных каучуков и др.

При изготовлении кож особое значение имеют отделочные операции, так как пластифицированные поливинилхлоридные покрытия обладают повышенной липкостью и неприятным блеском, что обусловлено наличием тончайшего слоя пластификатора, выпотевающего на поверхность пленки. Для устранения этих недостатков применяют лаковые покрытия на основе смесей поливинилхлоридной и акриловых смол, растворенных в органических растворителях.

Синтетические материалы для низа обуви группируют следующим образом:

- материалы из реакционноспособных композиций. Это материалы, полученные по технологии резинового производства путем вулканизации смесей на основе каучуков (обувные, монолитные и пористые резины) и путем вспенивания и отверждения композиций на основе олигомеров (формованные пенополиуретаны - ППУ);

- материалы на основе термопластичных композиций (формование подошвы из термо- и термоэластопластов).

Ассортимент материалов для низа обуви чрезвычайно велик. Они различаются по структуре, свойствам, цвету, условиям получения, эксплуатации, назначению, выпускной форме, методу прикрепления к верху обуви, способу получения и т.п.

Обувные резины пористые и непористые получают путем прессовой вулканизации при постоянном или переменном давлении. В состав многокомпонентной композиции для их получения входят каучук или смесь каучуков, определяющие основные физикомеханические и эксплуатационные свойства резин, а также вулканизующие агенты, пигменты, наполнители, порообразователи, мягчители, стабилизаторы и др.

При получении пористых резин в состав композиции обязательно входит порообра-зователь. В этом случае при вулканизации проходят одновременно процессы сшивания макромолекул и газонаполнения полимерной фазы. Структура и комплекс свойств пористых материалов будут зависеть от большого числа факторов, главные из которых:

- природа и дозировка порообразователя. От них зависят растворимость газа в полимере, объем и дисперсность газовой фазы, ориентация и структурирование полимера при разложении порообразователя;

- вязкоупругие свойства и газопроницаемость полимерной фазы;

- соотношение скоростей процессов порообразования и структурирования полимера при фиксации формы изделия. Основная задача при этом - обеспечить быстрое и эффективное сшивание полимера, образующего стенки микропор, до их слипания и утечки газа из системы;

- соотношение внутреннего давления в порах и внешнего давления. Это предопределяет изменение объема пор (пузырьков газа в полимере) на всех этапах производства, хранения и эксплуатации пористых резин, и прежде всего их усадку, то есть изменение размеров.

Свойства пористых резин (их легкость, высокая упругость, прочность, износостойкость, теплозащитные характеристики и т.п.) определяются их структурой - наличием микропор с избыточным давлением газа, ориентацией макромолекул полимера в стенках пор, а также свойствами собственно резины.

Обувные резины изготовляют из композиций на основе натурального и синтетических каучуков. В качестве последних чаще всего используют сополимерные бутадиенсти-рольные каучуки, изопреновые, бутадиеновые и их смеси.

Формованные материалы для низа обуви на основе полиуретанов производят методом химического формования (свободного литья) композиции на основе олигомеров. При этом одновременно протекают процессы синтеза полимера, вспенивания и отверждения полимерной композиции, формования и фиксации формы деталей низа или обуви в целом.

Такого рода технологический процесс является наиболее прогрессивным с технической, энергетической и экономической точек зрения и позволяет до минимума сократить число операций. Существуют два конкурирующих направления:

- изготовление подошвы с последующим приклеиванием ее к верху обуви;

- формование таких подошв непосредственно на заготовке верха обуви, закрепленной в форме.

В последние годы все большее распространение получают синтетические материалы для низа обуви на основе термопластов (поливинилхлорида, полиамидов, полипропилена и др.) и термоэластопластов различного состава, получаемых путем формования изделий методом литья на термопласт-агрегатах.

Для изготовления внутренних деталей обуви были разработаны и созданы термопластичные материалы, получаемые по традиционной технологии производства листов и пленок на обычном валковом оборудовании. Такие материалы получают на базе одного или смеси нескольких полимеров, в которой каждый полимер выполняет свою функцию в формировании свойств изделия. Эти материалы обладают эластичностью, прочностью, формоустойчивостью, высокой адгезией к кожевенным и текстильным материалам (что исключает операции нанесения клея при формировании обуви), низкими температурами размягчения и не требуют предварительного формования изделия.

Полимерные материалы представляют собой сложные многокомпонентные композиционные материалы. Поэтому неудивительно, что создание научных основ их получения и формования изделий из них основывается на фундаментальных достижениях физики, химии и физической химии полимеров. Сегодня эта область полимерной науки и технологии продолжает активно развиваться. Полученные в настоящее время результаты позволяют фактически решить глобальные задачи, в том числе и экологические.

Литература

1. Тихонова, Н.В. Изменение формоустойчивости обуви из натуральной кожи под действием ВЧ-плазмы пониженного давления / Н.В. Тихонова [и др.] //Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №5.

- С.112-114.

© Н. В. Тихонова - канд. техн. наук, доц. каф. конструирования одежды и обуви, sapr415@mail.ru; Т. В. Жуковская - ст. препод. той же кафедры, sapr415@mail.ru; Л. Ю. Махоткина - д-р техн. наук, проф., зав. каф. конструирования одежды и обуви.