КОМБИНИРОВАННЫЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ МАТЕРИАЛ
COMBINED MULTI-LAYER MATERIAL

Предлагаемое изобретение относится к разработке конструкции комбинированного многослойного материала для пошива различной одежды, предназначенной для экипировки силовых структур, профессиональной одежды, связанной с экстремальными условиями эксплуатации, занятий спортом и туризмом и обладающей высоким комплексом потребительских свойств.
Известны многослойные материалы, включающие наружный, промежуточный и внутренний слои, где наружный слой представляет собой ткань для верха изделия, внутренний - объемный утеплитель, имеющий гидрофильные волокна и обладающий гигиеническими свойствами, а промежуточный - слой клеевого материала (Патенты РФ №№2004167, 2004168, 2004169, 2004170, 2004171).
Недостатком данных конструкций являются низкие показатели гигиенических и специальных свойств, определяющих функциональные характеристики материалов (отсутствие достаточной водонепроницаемости при действии атмосферных осадков, либо отсутствие достаточной паропроницаемости, что вызывает дискомфорт при носке верхней одежды за счет отсутствия отвода влаги (пота) из внутриодежного пространства), а также длительность технологического процесса изготовления одежды за счет дополнительной операции скрепления пакета посредством клеевых соединений и ограниченность их использования.
Известна конструкция комбинированного материала (Патент РФ №2275158), одним из элементов которой является полимерная мембрана, непроницаемая для воды, но пропускающая пар.
Однако указанная конструкция многослойного материала трудоемка и не технологична.
Наиболее близким техническим решением по созданию конструкции комбинированного многослойного материала для одежды, обладающей комплексом физико-механических и гигиенических свойств, является многослойный комбинированный материал по патенту РФ №2167702.
Конструкция указанного комбинированного многослойного материала основана на использовании полимерной политетрафторэтиленовой (ПТФЭ) мембраны, включающей внешний верхний тканый слой из полиэфирного волокна с водоотталкивающей отделкой фторуглеродом, нижнего слоя из синтетического трикотажного полотна, между которыми расположен ламинат из гидрофобной ПТФЭ двухосноориентированной микропористой мембраны и гидрофильного полиэфируретанового покрытия (адгезив) с реакционноспособными изоцианатными группами не менее трех в цепи молекулы, причем верхний тканый слой соединен методом гравюрного печатания (дублирование) точечного клеевого рисунка с гидрофобной ПТФЭ мембраной, а нижний слой из трикотажного полотна соединен дублированием с гидрофильным полиуретановым покрытием, нанесенным на обратную сторону мембраны.
Преимущества указанного комбинированного многослойного материала в сравнении с известными на сегодняшний день отечественными и зарубежными комбинированными слоистыми материалами для одежды очевидны и обеспечивают высокую прочность, водоупорность и, что особенно важно, гигиенические свойства одежного материала.
Однако технологический процесс получения основного элемента комбинированного многослойного материала - ПТФЭ мембраны - технологически сложен и многооперационный (см. Таблицу 1) и, кроме того, указанная мембрана требует дополнительной защиты, т.к. на изделиях из ПТФЭ, используемого по прототипу, при контакте с соленой водой (пот) образуется пленка солей (Справочник по пластическим массам под редакцией В.М.Катаева и др., т.1, с.129, М.: Химия, 1975 г.), что в процессе эксплуатации может привести к потере функциональности мембраны как основного элемента комбинированного многослойного материала.
Анализ таблицы 2 известного технического решения по прототипу показал, что конструкция комбинированного многослойного материала ограничена, так как при верхнем тканом слое толщиной 0,35 мм, мембране 0,03 мм, ПЭУ адгезиве 0,01-0,02 мм, трикотаже 0,21-0,23 мм получаем соотношение слоев при общей толщине комбинированного многослойного материала 0,6-0,61 мм соответственно: 0,57-0,58:0,05-0,05:0,017-0,033:0,34-0,35, которое из-за узкого диапазона соотношения слоев ограничивает варьирование основными элементами конструкции (толщинами тканых слоев и толщиной мембраны) и, как следствие, не позволяет расширить ассортимент одежных материалов.
Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в разработке комбинированного многослойного материала с пониженной себестоимостью за счет снижения энергозатрат и технологических операций при получении основного элемента комбинированного многослойного материала - полимерной мембраны при повышении его гигиенических показателей, физико-механических свойств и расширении ассортимента одежных материалов.
2
2
2
Поставленная задача решается тем, что в комбинированном многослойном материале, включающем верхний тканый слой, ламинат из полимерной мембраны и гидрофильного полимерного покрытия и нижний трикотажный слой, полимерная мембрана толщиной 0,08-0,12 мм формируется ножевой раклей при зазоре 0,15-0,20 мм при скорости процесса 2,0-7,0 м/мин на верхнем тканом слое толщиной 0,310 и 0,518 мм из раствора композиции на основе полиэфируретана (ПЭУ) марки «Витур-0512» (ТУ 6-55-221-1085-2003) в количестве 80,0-150,0 г/м (по сухому веществу), полученный каталитической реакцией полиэтиленбутилен-гликольадипината, этиленгликоля и 4,4'-дифенилметандиизоцианата в диметилформамиде с содержанием сухого вещества 25,0-60,0 мас.%, динамической вязкостью при 25°С и 80°С соответственно 30,0-60,0 и 8,0-15,0 Па·с, включающую неионогенное поверхностно-активное вещество в количестве 0,3-1,0 мас.%, микрокристаллическую целлюлозу с размером частиц 20,0-40,0 мкм в количестве 2,0-20,0 мас.% (ТУ 7505-706-55-90) и диметилформамид в количестве 19,0-45,4 мас.% (ГОСТ 20289-74), с последующими погружением материала в коагуляционную ванну, содержащую смесь 20,0-40,0 мас.% диметилформамида и 80,0-60,0 мас.% воды с температурой 40-50°С, промывкой в промывочной ванне с водой при температуре 50°С до содержания в ней диметилформамида не более 3,0 мас.%, с одновременным формированием диффузионного слоя на основе скоагулированной полиэфируретановой композиции в структуре тканого слоя толщиной 16,7-30,0% от толщины тканого слоя, сушкой материала при 110-160°С, нанесением на готовый материал со стороны мембраны адгезионного слоя в виде точечного нерегулярного покрытия на основе этиленвинилацетата с температурой плавления 70°С в количестве 15,0 г/мили полиамидного порошка с температурой плавления 116-118°С в количестве 20 г/м, или порошкообразных полиамидов с температурой плавления 125°С, дублированием с трикотажной основой с толщиной 0,20-0,22 мм при соотношении слоев комбинированного многослойного материала: 0,49:0,19:0,32; 0,62:0,13:0,25 и 0,65:0,10:0,25 соответственно с толщиной 0,63, 0,798 и 0,888.
Тканые слои по приведенным примерам представляют собой ворсованные ткани с плотностью ворса 40,0-60,0% от площади поверхности ткани, предварительно обработанные гидрофобизатором на основе эмульсии сополимеров силоксана в 2% растворе поливинилового спирта в количестве 0,10-0,15 мас.% от массы материала. Механизм гидрофобизации текстильных материалов рассмотрен в книге Н.Ф.Орлов и др. «Кремнийорганические соединения в текстильной и легкой промышленности», «Легкая индустрия», М., 1966 г., с.63-70, «Энциклопедия полимеров», «Советская энциклопедия», М., 1977, т.1, с.625-632.
Выбор полиэфируретанов для создания мембранного слоя в многослойном материале обусловлен прежде всего их физико-химическими свойствами, способностью образовывать структуры с развитой пористостью.
Нами установлено, что полиуретановый мембранный полимерный слой может быть в виде микропористой или монолитной пленки. Для микропористых покрытий используются гидрофобные или слабогидрофильные полиуретаны, паропроницаемость в этом случае определяется их структурой. Важная роль принадлежит диффузионной проницаемости по порам, и решение проблемы обеспечения необходимой паропроницаемости заключается в создании определенной величины сквозной пористости.
2
Проницаемость монолитных полимерных слоев обусловлена межмолекулярными пространствами. Проникновение паров облегчается за счет использования полимера, макромолекулы которого имеют достаточное количество гидрофильных групп, таких как -ОН, -СООН или -NH, которые могут образовывать лабильные водородные связи с молекулами паров воды. В этом случае механизм прохождения паров воды состоит из трех стадий: абсорбция гидрофильными функциональными группами, диффузия через межмолекулярные пустоты и десорбция с внешней поверхности. Скорость прохождения паров воды через данные слои обратно пропорциональна их толщине. Поэтому покрытие должно быть достаточной толщины и в нем не должно быть дефектов, приводящих к водопроницаемости, а с другой стороны, оно должно быть достаточно тонким, чтобы сохранялась определенная степень проницаемости для паров воды.
Функционирование таких систем основано на большой разнице в размерах молекул пара (около 0,0004 мкм) и дождевых капель, диаметр которых составляет около 100 мкм.
Для получения мембранного полимерного слоя в многослойном комбинированном материале, обладающего высокой проницаемостью по отношению к парам воды в состав полимерной композиции дополнительно вводились неионогенные поверхностно-активные вещества (НПАВ) и волокнистые гидрофильные наполнители при определенных соотношениях.
Введение НПАВ благодаря их хорошей адсорбции на границе раздела фаз и на поверхности структурных элементов способствует образованию равномерной пористой структуры. Введение гидрофильных волокнистых наполнителей в виде микрокристаллической целлюлозы, с одной стороны, повышает гидрофильность мембранного полимерного слоя, с другой стороны, располагаясь в порах структуры, они удерживают поры от полного смыкания при усадке, обусловленной релаксационными процессами, и тем самым также способствуют образованию равномерной сквозной микропористой структуры.
7
3
Введение в состав полимерной композиции неионогенных ПАВ и гидрофильных наполнителей позволило создать полимерный микропористый мембранный слой (количество пор 10/см, размер пор 1-5 мкм), позволяющий проникать молекулам воды в парообразном состоянии и не пропускать капельную влагу, т.е. обеспечивающий высокий уровень паропроницаемости и водонепроницаемости при высокой прочности и долговечности многослойного комбинированного материала.
2
2
Нанесение термоклеевого покрытия проводилось на установке с хромированным гравировочным валом при температуре вала 70,0-120,0°С и нанесением точечного нерегулярного покрытия с наложением 10,0-20,0 г/м, а дублирование - на дублировочном каландре при давлении 0,7-1,5 кг/см.
Готовые комбинированные многослойные материалы по кажущейся плотности имеют:
верхний тканый слой
0,46-0,50 г/см<sup>3</sup>
мембрана
0,60-0,65 г/см<sup>3</sup>
нижний трикотажный слой
0,3-0,34 г/см<sup>3</sup>
суммарная плотность
комбинированных материалов
0,44-0,46 г/см<sup>3</sup>
воздухопроницаемость, см<sup>3</sup>/см<sup>2</sup>·с
0,83-0,84
На чертеже представлена схема конструкции комбинированного многослойного материала (разрез).
В таблице 2 приведены сравнительные характеристики (показатели) комбинированных многослойных материалов в сравнении с материалом, полученным по известному техническому решению.
По предлагаемому изобретению использовали:
1. Ворсованные и гидрофобизированные текстильные основы:
Ткани состава: вискоза - 33%, полиэфир - 67%, арт.32-11 ТУ 858-5505-2000, саржа.
Ткани состава: хлопок - 51%, полиэфир - 49%.
Ткани состава: полиэфир - 100%, ГОСТ 28486-90.
Трикотаж (подкладка - 3-й слой) - ГОСТ 28554-90, арт. 1544076, 1544168.
Для проведения экспериментов по оптимизации конструкций комбинированных многослойных материалов и расширения ассортимента одежных материалов с высокими потребительскими свойствами был использован различный ассортимент вновь разработанных текстильных основ, представляющих собой ткани из хлопкополиэфирных, вискозно-полиэфирных и синтетических нитей, внедряемых отечественной промышленностью взамен импортных тканей. Физико-механические показатели тканей приведены в таблице 3.
В таблице 4 приведены гигиенические характеристики тканей.
2. Растворы полиэфируретанов, выпускаемые промышленностью на основе различных диизоцианатов, простых и сложных олигоэфиров и гликолей, зависимость свойств которых от их структуры приведена в «Энциклопедии полимеров», М.: «Советская энциклопедия», 1977, т.3, с.63-70 и в монографии Дж.Х.Саундерс, К.К.Фриш, «Химия полиуретанов», М.: «Химия», 1968, с.326-427.
2
3. Неионогенные углеводородные поверхностно-активные вещества, водные растворы которых снижают поверхностное натяжение воды до 28-30 эрг/см («Энциклопедия полимеров», М.: «Советская энциклопедия», 1977, т.2, с.666-678).
3
4. Порошкообразные термопласты для дублирования трикотажного слоя - сополимер этилена с винилацетатом (15 мас.% винилацетата) с дисперсностью 80-200 мкм, насыпным весом 0,32 г/см, температурой плавления 70-80°С и вязкостью расплава 28 сПа;
3
- сополимер винилацетата с этиленом в соотношении 28:72 с показателем текучести расплава (ПТР), г/10 мин при 120 и 145°С соответственно 2,0 и 30,0, с дисперсностью 200-400 мкм, температурой плавления 90°С и насыпным весом 0,35 г/см;
3
- полиамидный порошок с дисперсностью 80-200 мкм, насыпным весом 0,53 г/см и температурой плавления 116-118°С;
3
- порошкообразные полиамиды с насыпным весом 0,45-056 г/см, дисперсностью 60-200 мкм и температурой плавления 105-125°С.
Предлагаемая конструкция комбинированного многослойного материала реализуется за счет того, что при движении тканого слоя на жестком наносном столе с указанной по данному техническому решению скоростью и зазором между тканым слоем и ножевой раклей, ПЭУ композиция частично проникает в структуру тканого слоя в основном за счет процесса диффузии, который продолжается в коагуляционной ванне в среде растворитель-нерастворитель при одновременной ее коагуляции в виде переходного диффузионного слоя в структуре тканого материала и мембраны.
Процесс диффузии заканчивается при содержании диметилформамида в промывочной ванне менее 12,0 мас.% и окончательно формируется и закрепляется в структуре тканого слоя в процессе сушки, в результате чего в процессе формирования комбинированного многослойного материала и образуется переходный диффузионный слой, переходящий в мембрану.
Процесс диффузии не имеет четкой границы фронта распространения. Глубину проникновения ПЭУ слоя в толщу тканого слоя определяли по срезам ламинатов из 10 образцов каждой ткани. Было установлено, что при толщине мембраны 0,08 мм толщина диффузионного слоя в используемых тканях (толщина 0,31-0,548 мм) составляет 0,052-0,090 мм, при 0,1 мм - 0,08-0,137 мм, а при 0,12 мм - 0,09-0,164 мм (16,7-30,0%). Таким образом, в процессе получения комбинированного многослойного материала мембрана фиксируется по толщине.
На чертеже представлена схема конструкции комбинированного многослойного материала (разрез), включающего тканый слой (1), слой скоагулированной в толще тканого материала ПЭУ композиции (1а), переходящего в слой мембраны (2) и трикотаж (3).
Волокна текстильной основы и ПЭУ диффузионного слоя образуют тесное переплетение, имеющее тонковолокнистую пористую структуру, обеспечивающую, по всей вероятности, высокие гигиенические показатели комбинированного многослойного материала за счет сохранения постоянного парциального давления прохождения паров (процесс конденсации паров по толщине комбинированного многослойного материала замедляется или отсутствует) из внутреннего пододежного пространства одежды и прочностные характеристики за счет свойств диффузионного слоя.
Себестоимость предлагаемого комбинированного многослойного материала значительно ниже известного.
Испытание комбинированного многослойного материала проводили по показателям:
«Разрывная нагрузка»
ГОСТ 17316-71
«Сопротивление раздиранию»
ГОСТ 17074-71
«Жесткость»
ГОСТ 8977-74
«Устойчивость к многократному изгибу»
ГОСТ 8978-75
«Воздухопроницаемость»
ГОСТ 8973-77
«Водопроницаемость»
ГОСТ 22944-78
«Паропроницаемость»
ГОСТ 22900-78
«Гигроскопичность и влагоотдача»
ГОСТ 8971-78
Одежные ткани:
«Разрыв и относительное удлинение»
ГОСТ 3813-72
«Раздирающая нагрузка»
ГОСТ 17922-72
Для технических тканей соответственно
ГОСТ 29104.4.91 и
ГОСТ 29104.5.91
«Стойкость к истиранию»
ГОСТ 18976-73
«Водоупорность»
ГОСТ 3816-81
Таблица 1.
Основные операции технологических процессов и режимы их исполнения
Известные
Предлагаемые
Технологическая операция
Режимы
Технологическая операция
Режимы
Температура, °С
Время, мин
Давление, кг/см<sup>2</sup>
Температура, °С
Скорость, м/мин
Экструзия ленты
Энергоемкий процесс
100-200
Нанесение на верхний тканый слой полиэфир-уретановой композиции
20-25
2-7
Спекание ленты
327-342
1-3
-
Коагуляция
40-50
2-7
Продольная вытяжка
200-300
-
-
Промывка
50
2-7
Утонение
200-300
-
-
Сушка
110-160
2-7
Сматывание
-
-
-
Дублирование
70-125
2-7
Термостатирование
250-327
40-60
-
Поперечная вытяжка
-
-
6-12
Термофиксация
332-340
10-20
-
Удаление смазчика
40-80
-
-
Сушка
110-130
20-60
-
Таблица 4
Показатели гигиенических характеристик тканей
№№ п/п
Показатели
Гигроскопичность, %
Влагоотдача, %
Паропроницаемость, г/м<sup>2</sup> сутки
Водопроницаемость, см/ч
1
2
3
4
5
1
2.1
1,7
1150
моментально
2
4.7
3,7
1054
«
3
2,0
1,55
993,6
«
4
5,2
4,1
985
«
5
3,6
2,7
760
«
6
5,2
4,6
777,6
«
7
4,4
3.8
691
«
8
1.37
0,99
726
«
9
7,8
7,1
760
«
10
5.8
5.2
786
«
11
7,4
6.3
786
«
12
7,4
6.6
786
«
Определяли основные показатели и соотношения слоев комбинированных многослойных материалов, включающих указанные выше тканые слои, ПЭУ мембраны и трикотаж в качестве подкладки, которые представлены ниже (табл.5-7). Трикотаж дублировали с ламинатом посредством порошкообразных термопластов с температурой плавления 70-125°С (см. стр.8 описания).
Таблица 5
Конструкции предлагаемых комбинированных многослойных материалов и их основные элементы
№№ п/п
Толщина, мм
Соотношение слоев
ткань
мембрана
трикотаж
комбинированный многослойный материал
1
0,31
0,12
0,20
0,63
0,49:0,19:0,32
2
0,33
0,10
0,20
0,63
0,52:0,16:0,32
3
0,35
0,08
0,20
0,63
0,55:0,13:0,32
4
0,35
0,10
0,21
0,66
0,53:0,15:0,32
5
0,378
0,08
0,21
0,66
0,57:0,12:0,31
6
0,378
0,10
0,20
0,678
0,56:0,15:0,29
7
0,378
0,12
0,21
0,708
0,53:0,17:0,30
8
0,428
0,08
0,20
0,718
0,60:0,11:0,29
9
0,428
0,08
0,22
0.728
0,59:0,11:0,30
10
0,428
0,12
0,21
0,758
0,56:0,16:0,28
11
0,474
0,08
0,21
0,764
0,62:0,11:0,27
12
0,474
0,10
0,21
0,784
0,60:0,13:0,27
13
0,518
0,08
0,20
0,798
0,65:0,10:0,25
14
0,474
0,12
0,21
0,804
0,59:0,15:0,26
15
0,526
0,08
0,22
0,826
0,64:0,10:0,26
16
0,518
0,10
0,21
0,828
0,63:0,12:0,25
17
0,526
0,10
0,21
0,836
0,63:0,12:0,25
18
0,548
0,08
0,22
0,848
0,64:0,10:0,26
19
0,548
0,12
0,22
0,888
0,62:0,13:0,25
Таблица 6
Показатели функциональных свойств комбинированных многослойных материалов
№№ п/п
Показатели
Гигроскопичность, %
Влагоотдача, %
Паропроницаемость, г/м<sup>2</sup> сутки
Водопроницаемость, см/ч ГОСТ 22944-78
1
2
3
4
5
1
5,3
4,8
680
0
2
6,6
5,7
680
0
3
5,4
4,8
670
0
4
5,2
4,9
680
0
5
6,6
6,2
660
0
6
5,2
4,8
660
0
7
4,4
3.8
691
0
8
5,4
4,9
680
0
9
6,5
6,2
720
0
Таблица 7
Показатели физико-механических свойств комбинированных многослойных материалов
№№ п/п
Показатели
Толщина,мм
Разрывная нагрузка, кгс прод. напр/попер. напр.
Удлинение, % прод. напр/попер. напр.
Сопротивление раздиранию, кгс прод. напр/попер. напр.
Стойкость к истиранию, циклы
Толщина мембраны 0,08 мм
1
0,63
86,3/68,2
26,7/37,3
21,0/13,2
свыше 45000
2
0,718
127,0/87,2
33,0/35,7
17,8/16,5
то же
3
0,848
143,5/50,0
58,6/24,0
20,8/7,5
-“-
Толщина мембраны 0,10 мм
4
0,63
91,1/71.7
25,0/37,7
14,3/10,4
-“-
5
0,784
146,6/41,0
51,1/19,5
6,0/5,9
45000
6
0,836
110,0/72,1
22,0/29,4
25,3/12,6
свыше 45000
Толщина мембраны 0,12 мм
7
0,63
89,0/32,0
24,2/36,6
15,5/8,0
то же
8
0,708
87,0/83,3
33,0/31,0
21,3/15,5
-“-
9
0,888
147,3/40,0
60,0/19,5
13,0/9,2
-“-
Анализы представленных материалов (Таблицы 2-7) позволяют констатировать тот факт, что предложенная конструкция комбинированных многослойных материалов обеспечивает повышение физико-механических свойств изделий на основе их с улучшенными гигиеническими показателями одежных изделий и, кроме того, данная конструкция приемлема для всех групп тканей с толщинами и поверхностными плотностями, отличными от приведенных по примерам в диапазонах 0,31-0,378 мм, 0,378-0,518 мм, 0,518-0,548 мм, и обеспечивает расширение ассортимента готовых одежных изделий (куртки, спортивная одежда, специальная одежда и т.п.) при пониженной энергоемкости процесса получения комбинированного многослойного материала, что приводит к снижению себестоимости готовой продукции.