Влияние вида и расположения слоев на свойства многослойного теплоизоляционного флокированного материала

Л. В. Лобова

ВЛИЯНИЕ ВИДА И РАСПОЛОЖЕНИЯ СЛОЕВ НА СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО

ФЛОКИРОВАННОГО МАТЕРИАЛА

Ключевые слова: электрофлокированные теплоизоляционные материалы, коэффициент теплопроводности, плотность пакета, металлизация, flocked thermo-insulating materials, thermal conductivity factor, density of multilayered structures, metallization.

В статье приведены результаты экспериментальных исследований коэффициента теплопроводности и плотности теплоизоляционных пакетов, составленных из локально флокированных слоев, представляющих собой материалы различной структуры (ткани, нетканые полотна, пленки, фольга), различной природы (синтетические полимеры, алюминий, стекло), с использованием различных металлизаций. The experimental researches results of thermal conductivity factor and density of thermo-insulating multilayered structures made from locally flocked layers of various kind (fabrics, nonwovens, films, foils) and various nature (synthetic polymers, aluminium, glass) with use of various metallizations are adduced.

В последние годы в индустриально развитых странах наблюдается тенденция роста доли текстильных материалов, вырабатываемых для технических целей. С освоением производства термостойких органических волокон и технологии их переработки эта доля возрастает еще больше, и текстильные материалы проникают в ранее не свойственные им области, заменяя традиционные материалы. Основными преимуществами текстиля в этом случае является сочетание легкости, прочности при растяжении и способности легко изгибаться. Технология электрофлокирования, которая посредством варьирования трех основных компонентов - основы, ворса и клея - позволяет получать материалы чрезвычайно широкого спектра свойств, в том числе, соединять текстильные компоненты с нетекстильными, относится к числу наиболее перспективных с точки зрения создания материалов технического назначения с заданными свойствами. В данной статье приведены результаты исследований по разработке высокоэффективных теплоизоляционных материалов на основе пакета из локально флокированных слоев. Теплоизоляционные материалы с малой плотностью востребованы в строительстве (покрытия крыш, сборные конструкции) и при изготовлении транспортных средств, особенно летательных аппаратов.

Расчеты показали, что теплопроводность пакета, в котором разделение слоев осуществляется посредством флокированных элементов, зависит в том числе от материала, из которого изготовлен отдельный слой, а также от его отражающей способности [1]. Целью данной работы явилось экспериментальное подтверждение этого предположения, для чего были проведены исследования теплопроводности и плотности теплоизоляционных пакетов, составленных из флокированных слоев, представляющих собой материалы различной структуры, различной природы, с использованием различных металлизаций.

Материалы, металлизированные вакуумтермическим способом, и материалы не металлизированные имеют практически одинаковые жесткость, драпируемость и воздухопроницаемость [2]. Это объясняется исключительно малой толщиной слоя металла. Для проведения экспериментов были применены ткани, нетканые полотна с металлизацией и пленка с двухсторонней и односторонней металлизацией. Для выявления оптимальных свойств теплоизоляционных флокированных материалов (ТИФМ) были проведены исследования однородных пакетов, состоящих из нескольких (чаще всего 10) локально флоки-

рованных слоев и верхнего нефлокированного покровного слоя. Было выбрано точечное нанесение как наиболее экономичное и рациональное [3]. Эксперименты проводили, используя равномерное точечное нанесение ворса со следующими структурами:

Структура С1 С2

Диаметр флокированных точек, мм 2 5

Расстояние между центрами точек, мм 10 20

Коэффициент заполнения площади ворсом при

флокировании единичного слоя, % 3,6 5,0

Основные свойства использованных материалов приведены в табл.1. Показатели теплопроводности и плотности пакетов ТИФМ на основе различных материалов показаны на гистограммах рис. 1 и 2.

Как показали экспериментальные исследования, теплоизолирующая способность пакета ТИФМ, состоящего из однородных флокированных слоев, зависит от воздухопроницаемости, поверхностной плотности, оптических свойств и теплоемкости материала единичного слоя. Отражательная способность металлизированных полотен зависит не только от вида использованного металла, но и от структуры самого полотна (образцы 4 и 14, 9 и 11, 5 и 10). В подавляющем большинстве опытов использование металлизированных слоев повышает теплоизоляционные свойства и незначительно уменьшает плотность пакета. Двухсторонняя металлизация пленки дает почти такие же результаты, что и односторонняя. Металлизация уменьшает коэффициент теплопроводности пакета на 15 - 45% (образцы 2, 4 и 3; 13 и 14; 15 и 16; 18 и 19; 20 и 21) и снижает его плотность на 5 - 20% (образцы 1, 2 и 3; 15 и 16; 18 и 19; 20 и 21). Снижение плотности обусловлено, вероятно, различиями в процессе флокирования. Как и следовало ожидать, поверхностная плотность слоя влияет на общую плотность пакета (рис. 3).

Таблицаї - Характеристики материалов для изготовления ТИФМ

Но- мер об- раз- ца Структура материала слоя Веще- ство мате- риала Наличие и вид металлизации Поверх- ностная плот- ность, г/м Ко-эф-фи-ци-ент отра-же-ния р % [4] Коэффициент заполнения площади при фло-киро-вании й, %

1 2 3 4 5 6 7

1 Пленка ПЭФ А1, двухсторонняя 12 мкм (5 г/м2) - 1,3

2 Пленка ПЭФ А1, односторонняя 12 мкм (5 г/м2) - 1,3

3 Пленка ПЭФ нет 12 мкм (5 г/м2) - 1,3

4а Пленка ПЭФ А1, односторонняя 6 мкм (2.5 г/м2) 81 3,6

4 Пленка ПЭФ А1, односторонняя 6 мкм (2.5 г/м2) 81 5,0

5 Ткань ПА Си 81 г/м2 48 5,0

6 Ткань ПА Си 50 г/м2 - 5,0

7 Ткань ПА А1 37 г/м2 - 5,0

8 Ткань ПА А1 35 г/м2 - 5,0

9а Ткань ПА Ад 46 г/м2 33 3,6

9 Ткань ПА Ад 46 г/м2 33 5,0

10а Нетканое полотно ПА Си 82 г/м2 31 3,6

10 Нетканое полотно ПА Си 82 г/м2 31 5,0

11а Нетканое полотно ПА Ад 49 г/м2 38 3.6

11 Нетканое полотно ПА Ад 49 г/м2 38 5,0

12а Нетканое полотно ПП нет, цвет антрацит 50 г/м2 23 3,6

12 Нетканое полотно ПП нет, цвет антрацит 50 г/м2 23 5,0

13 Нетканое полотно ПП нет 50 г/м2 - 5,0

14а Нетканое полотно ПП А1 51 г/м2 44 3,6

14 Нетканое полотно ПП А1 51 г/м2 44 5,0

15 Нетканое полотно ПП нет 10 г/м2 - 5,0

16 Нетканое полотно ПП А1 10 г/м2 - 5,0

17 Нетканое полотно стекло нет 40 г/м2 - 5,0

18 Нетканое полотно стекло А1 12 г/м2 - 5,0

19 Нетканое полотно стекло нет 10 г/м2 - 5,0

20 Нетканое полотно арамид А1 8 г/м2 - 5,0

21 Нетканое полотно арамид нет, цвет желтый 9 г/м2 - 5,0

22 Фольга алюми- ний 10 мкм (28 г/м2) - 5,0

23 Фольга алюми- ний 13 мкм (35 г/м2) - 5,0

Рис. 1 - Коэффициент теплопроводности однородных пакетов ТИФМ

Как видим, применение даже самых легких высокотехнологичных полотен не позволяет снизить плотность структуры ниже 20 кг/м3. Использование же коэффициента поверхностного заполнения при флокировании ниже 3% приводит к сминаемости ворсовых элементов и провисанию пленки между ними при флокировании пакетов и, в конечном счете, к потере теплоизолирующей способности при конфекционировании [5].

Q-

Номер пакета по табл. 1

Рис. 2 - Плотность однородных пакетов ТИФМ

Поверхностная плотность

Рис. 3 - Влияние поверхностной плотности основы слоя на плотность ТИФМ

Таким образом, с точки зрения уменьшения теплоизолирующей способности, материалы слоев располагаются в ряду: пленка металлизированная, металлизированные ткани, фольга, металлизированные нетканые полотна, неметаллизированная пленка и нетканые полотна. По повышению плотности пакета ряд выглядит следующим образом: тонкие нетканые полотна, пленка, алюминиевая фольга, более толстые нетканые полотна, ткани металлизированные. Анализируя суммарно оба показателя, можно воспользоваться коэффициентом эффективности (табл. 2) Ку = —— , где X - коэффициент теплопроводности од-

Л • р

нородного пакета ТИФМ, Вт/м-К; р - плотность однородного пакета ТИФМ, кг/м . Таблица 2 - Коэффициент эффективности материалов

Номер по табл. 1 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Кэ 1,5 0,7 0,7 0,8 1,0 0,8 0,7 1,0 0,7 0,8 0,9 0,7

Окончание табл. 2

16 17 18 19 20 21 22 23

1,2 0,8 1,0 0,8 1,1 0,9 1,2 1,1

По этому показателю лидирующие позиции занимают металлизированная пленка (со значительным отрывом) и тонкие нетканые алюминизированные полотна и фольга, а также посеребрёные ткань и нетканое полотно средней поверхностной плотности (около 50 г/м2).

Учитывая область применения теплоизоляционного материала, необходимо выбирать тот или иной из этих наиболее эффективных материалов, имея в виду его специфические свойства: негорючесть, термостойкость, способность формоваться, хрупкость, жесткость или мягкость при изгибе, воздухо-, паро- и влагопроницаемость и др.

В развитие исследований проведены эксперименты со смешанными пакетами и пакетами, содержащими термостойкие нетканые полотна, дублированные фольгой (дублирование проводили в лабораторных условиях с помощью распыляемого клея). Флокирование проводили по структуре С2. Составы пакетов представлены в табл.3.

2

Таблица 3 - Составы смешанных пакетов ТИФМ

Номер пакета Состав1)

24 (пленка) 25 (арамид А1/арамид 1:1) 26 (арамид А1/арамид 2:2) 27 (стеклополотно А1/стеклополотно 1:1) 28 (стеклополотно А1/стеклополотно 2:2) 29(фольга/стекло 1:1) 30 (фольга/стеклополотно 2:2) 31 (фольга + стеклополотно) 32 (фольга + арамид) 1 слой № 2 + 4 слоя № 3 + 1 слой № 2 + 4 слоя № 3 + 1 покровный слой № 2 2) Чередование слоев № 20 и № 21 (1:1) с покровным слоем № 20 Чередование слоев № 20 и № 21 (2:2) с покровным слоем № 20 Чередование слоев № 18 и № 17 (1:1) с покровным слоем № 18 Чередование слоев № 18 и № 17 (2:2) с покровным слоем № 18 Чередование слоев № 22 и № 18 (1:1) с покровным слоем № 22 Чередование слоев № 22 и № 18 (2:2) с покровным слоем № 22 Дублированные слои № 21 и № 23. Поверхностная плотность слоя до флокирования 47 г/м2 Дублированные слои № 19 и № 23. Поверхностная плотность слоя до флокирования 50 г/м2

1 Пакет для измерений набирали толщиной около 3 см. Номера слоев указаны по табл. 1; 2) Использовано флокирование с й = 1,3%.

Основные свойства пакетов показаны на рис. 4.

їа* °'06-

І2 О £ 0.05 -I

гсЬ

2 си д 0.04 Ч

0.03 -

н 2 *

о д £ 0.02 Ч

к к о

0.01-1 ^ ” 0.00

р

24 25 26 27 28 29 30 31 32

__________________Номер пакета______________________

Рис. 4 - Коэффициент теплопроводности и плотность смешанных пакетов ТИФМ

Анализ свойств смешанных пакетов ТИФМ показал, что они, как правило, занимают промежуточное положение по отношению к свойствам однородных пакетов из тех же мембран (пакеты 25 и 26 по отношению к 21и 20; пакеты 27 и 28 по отношению к 17 и 18;

пакеты 29 и 30 по отношению к 18 и 22). Пакеты, набранные из дублированных фольгой материалов, по своим свойствам ближе к фольге. В ряде случаев чередование слоев 2:2 более эффективно, чем 1:1 (образцы 28 и 27, 26 и 25).

Таким образом, исследования показали, что применение смешанных пакетов целесообразно, особенно, если учесть, что цена металлизированного полотна выше, чем без металлизации. Важно при этом, чтобы внешние слои пакета имели металлизацию.

Литература

1. Лобова, Л.В. Суперизоляционный флокированный материал / Л.В. Лобова, Н.Е. Бершев, И.А. Хромеева // Технический текстиль. - 2001. - № 2. - С. 33-35.

2. Катец, А.В. Металлизация тканей: автореф. дисс........докт. техн. наук / А.В. Катец. - М.:

МТИЛП, 1962. - 30 с.

3. Lobova, L. Einsatz von Flock bei der Entvoicklung unkonventioneller Dammstoffstrukturen / L. Lobova [et al.] //Technische Textilien. - 1999, November, - S. 292-294.

4. Lobova, L. Flockdammstoffe fur Hitze und Kalteschutzkleidung. / L. Lobova [et al.] // - 5 Dresdener Textiltagung, Dresden, 5-6 Juni 2000, - S.1-14.

5. Offermann, P. Innovativer Superisolatins-Dammstoff fur Warme- und Kalteschutzkleidung. Avantex / P. Offermann [et al.] // I Internationales Symposium fur Hochtechnologie-Bekleidungstextilien.-Frankfurt/Main, 27-29 November 2000.

© Л. В. Лобова - канд. техн. наук, доц. каф. технологии кожевенного, мехового и обувного производств Института обуви и галантерейных изделий (ИОГИ) Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна. e-mail:lobova@sutd.ru.