НЕТКАНЫЙ УТЕПЛИТЕЛЬНЫЙ ОГНЕСТОЙКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ОДЕЖДЫ

Полезная модель относится к нетканому волокнистому утеплительному материалу с огнестойкими свойствами и используется для формирования подкладочного слоя швейного изделия. Предлагаемый утеплительный материал может быть использован как подкладка для всех видов одежды, изделий специального назначения и аксессуаров, преимущественно в производстве высокотехнологичной верхней одежды для защиты от термических рисков.
Из уровня техники известен нетканый утеплительный огнестойкий материал для формирования подкладочного слоя швейного изделия, включающий смесь полимерных волокон, объединенных в полотно термическим скреплением, содержащий полимерные волокна и бикомпонентное волокно типа «ядро-оболочка» с концентрическим расположением, причем полимерные волокна включают негорючие огнестойкие вискозные волокна (см. RU 34549 U1, 10.12.2003 - выбран за прототип), при этом суммарное массовое содержание негорючих огнестойких вискозных волокон и бикомпонентных волокон в материале составляет не более 50%.
Недостатками известного из прототипа материала является недостаточная огнестойкость, поскольку содержание негорючих огнестойких волокон слишком мало. В таком материале при воздействии пламенем газовой горелки образуются дыры, горение с краю. Поскольку массовое содержание бикомпонентных волокон в материале не обозначено, такой материал может иметь недостаточную скрепляемость волокон, что приведет к уменьшению прочности утеплительного материала, потере его целостности, высокой миграции волокон утеплителя из-за недостаточного количества склеек. Поскольку суммарное массовое содержание негорючих огнестойких вискозных волокон и бикомпонентных волокон в материале составляет не более 50%, то при увеличении содержания негорючих волокон (и повышении огнестойкости) в материале прототипа будет уменьшаться содержание бикомпонентного волокна, т.е. будет снижаться прочность. Весьма низкими является и суммарное тепловое сопротивление материала.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в одновременном повышении огнестойкости и суммарного теплового сопротивления утеплительного материала при сохранении его целостности (высокой прочности).
Заявляемый нетканый утеплительный огнестойкий материал для формирования подкладочного слоя швейного изделия включает смесь полимерных волокон, объединенных в полотно термическим скреплением, и содержит полимерные волокна и бикомпонентные волокна типа «ядро-оболочка» с концентрическим расположением.
Согласно полезной модели, бикомпонентные волокна имеют линейную плотность 0,22 текс, полимерные волокна включают окисленные полиакрилонитрильные волокна с линейной плотностью 0,17 текс, при этом указанная смесь содержит, масс. %: бикомпонентные волокна - 20-30%, окисленные полиакрилонитрильные волокна - 70-80%, причем в такой смеси соотношение содержаний компонентов бикомпонентных волокон к окисленным полиакрилонитрильным волокнам по массе составляет от 1/4 до 3/7, а материал по структуре выполнен в виде трех слоев - верхнего, нижнего и внутреннего, причем верхний и нижний слои имеют более высокую прочность, чем внутренний слой, и сформированы дополнительным термическим скреплением наружных участков материала горячими валами каландра.
Дополнительно, неровнота по массе полотна должна составлять не более 7%.
2
Полезная модель поясняется фигурами. На фиг. 1 показаны график зависимости индекса ограниченного распространения пламени по ГОСТ ISO 14116 от массового содержания в материале бикомпонентных волокон заданной плотности (в %) и от массового содержания в материале окисленных полиакрилонитрильных волокон заданной плотности (в %); график зависимости суммарного теплового сопротивления (в м⋅°С/Вт) от массового содержания в материале бикомпонентных волокон заданной плотности (в %) и от массового содержания в материале окисленных полиакрилонитрильных волокон заданной плотности (в %); а также график зависимости прочности (разрывной нагрузки по длине в Н) от массового содержания в материале бикомпонентных волокон заданной плотности (в %) и от массового содержания в материале окисленных полиакрилонитрильных волокон заданной плотности (в %). На фиг. 2 показана получаемая структура заявляемого материала.
Нетканый утеплительный огнестойкий материал для формирования подкладочного слоя швейного изделия включает смесь полимерных волокон, объединенных в полотно термическим скреплением. В качестве неограничивающего примера, в заявляемом уплотнительном материале волокна представляют собой штапельные волокна длиной 51 мм. В качестве еще одного неограничивающего примера, могут использоваться волокна длиной 5-70 мм. Скрепление волокон в холсте (полотне) идет за счет термического скрепления - именно для этого добавляется связующее в виде бикомпонентного волокна в состав смески.
Заявляемый материал содержит полимерные волокна и бикомпонентное волокно с линейной плотностью 0,22 текс типа «ядро-оболочка» с концентрическим расположением. В качестве неограничивающего примера, полимер оболочки выбран из низших полиолефинов (например, полиэтилен высокого давления, полипропилен) или сополимеров низших олефинов (например, сополимер полиэтилена или сополиэтилентерефталат) с температурой плавления 110-180°С, а полимер ядра представляет собой полиэтилентерефталат с температурой плавления 230-270°С. Благодаря тому, что полимер оболочки имеет температуру плавления ниже, чем температура плавления полиэфирных волокон и полимера ядра, полимер оболочки расплавляясь, скрепляет смесь волокон и превращает ее в единое полотно (холст). Бикомпонентное волокно выступает при термоскреплении в качестве связующего. Связующее в производстве нетканых материалов используется как для образования связей между волокнами, так и для перераспределения нагрузки между волокнами, то есть обеспечения возможности согласованной работы волокнистых элементов при нагрузках, вызывающих деформацию нетканого материала. В качестве неограничивающего примера, ядро занимает по площади от 50 до 95% от общей площади поперечного сечения бикомпонентного волокна, а оболочка занимает по площади от 5 до 50% от общей площади поперечного сечения бикомпонентного волокна.
Полимерные волокна состоят из окисленных полиакрилонитрильных волокон с линейной плотностью 0,17 текс. Смесь полимерных волокон, представляющая собой заявляемый материал, содержит по массе от 20 до 30% бикомпонентных волокон (включая граничные значения), и от 70 до 80% окисленных полиакрилонитрильных волокон (включая граничные значения). В такой смеси соотношение содержаний компонентов бикомпонентных волокон к окисленным полиакрилонитрильным волокнам по массе составляет от 1/4 до 3/7, включая граничные значения.
Было экспериментально выявлено и установлено, что именно при массовом содержании 70-80% окисленных полиакрилонитрильных волокон и 20-30% бикомпонентного волокна от всей массы материала (т.е. когда соотношение массовых содержаний компонентов бикомпонентных волокон к окисленным полиакрилонитрильным волокнам по массе составляет от 1/4 до 3/7) в данной конкретной смеси (с указанными массовым содержанием, с конкретной линейной плотностью 0,17 текс полиакрилонитрильных волокон, с конкретной линейной плотностью 0,22 текс бикомпонентных волокон, с указанным термоскреплением в полотно с дополнительным термоскреплением наружных участков материала горячими валами каландра, с указанной конструкцией бикомпонентного волокна) будет достигаться 3 индекс ограниченного распространения пламени по ГОСТ ISO 14116 при сохранении высокой прочности утеплительного материала (что характеризуется хорошей целостностью материала, отсутствием значительной миграции волокон утеплителя и высокими разрывными характеристиками).
Также экспериментально выявлено и установлено, что именно при массовом содержании 70-80% окисленных полиакрилонитрильных волокон и 20-30% бикомпонентного волокна от всей массы материала в данной конкретной смеси (с указанными массовым содержанием, с конкретной линейной плотностью 0,17 текс полиакрилонитрильных волокон, с конкретной линейной плотностью 0,22 текс бикомпонентных волокон, с указанным термоскреплением в полотно с дополнительным термоскреплением наружных участков материала горячими валами каландра, с указанной конструкцией бикомпонентного волокна) будет достигаться наибольшее суммарное тепловое сопротивление (образуются микроскопические ячейки с воздухом) при сохранении высокой прочности утеплительного материала (что характеризуется хорошей целостностью материала, отсутствием значительной миграции волокон утеплителя и высокими разрывными характеристиками).
Таким образом, экспериментально выявлено, что заявленный конкретный описанный утеплительный материал имеет одновременно высокие огнестойкость и суммарное тепловое сопротивление при сохранении его целостности (высокой прочности).
Дополнительно, экспериментально было выявлено, что высокие огнестойкость, суммарное тепловое сопротивление и прочность сохраняются при соблюдении неровноты по массе не более 7%.
Также экспериментально было установлено, что за счет содержания в смеси волокон низкой линейной плотностью не более 0,22 текс (как бикомпонентных, так и окисленных полиакрилонитрильных), в структуре материала появляются малые ячейки с воздухом. То есть появляется множество небольших пор, которые равномерно располагаются по всему объему материала и имеют наибольший максимальный объем заполнения (при наличии волокон с большей линейной плотностью пор большего размера было бы меньше и они имели бы меньший суммарный объем), что способствует значительному повышению суммарного теплового сопротивления материала. Экспериментально также выявлено, что окисленные полиакрилонитрильные волокна с линейной плотностью 0,17 текс имеют высокую огнестойкость.
При уменьшении содержания окисленных полиакрилонитрильных волокон в конкретной смеси волокон менее 70% по массе (и соответствующем увеличении по массе бикомпонентных волокон более 30%) не будет достигаться 3 индекс ограниченного распространения пламени по ГОСТ ISO 14116, и не будет достигаться высокое суммарное тепловое сопротивление, хоть и материал будет достаточно прочен (см. фиг. 1). При увеличении содержания огнестойких негорючих волокон в виде окисленных полиакрилонитрильных волокон в конкретной смеси волокон более 80% по массе (и соответствующем уменьшении по массе бикомпонентных волокон менее 20%) резко снижается прочность и скрепляемость материала, волокна утеплителя из-за недостаточного количества склеек мигрируют в большом количестве, резко снижаются разрывные характеристики и материал теряет свою целостность. Указанный конкретный материал при большем содержании окисленных полиакрилонитрильных волокон (более 80%) не скрепится вообще, это будет не утеплитель, а прочес. При таком нарушении целостности материала измерить индекс распространения пламени, тепловые и прочностные характеристики не представляется возможным (см. фиг. 1, слева от 20% бикомпонентных волокон).
Поэтому именно заявляемое соотношение данной конкретной смеси волокон и ее структура в заявляемом материале позволит достичь как 3 индекс ограниченного распространения пламени (повышенную огнестойкость утеплительного материала), так и максимальное суммарное тепловое сопротивление, с сохранением целостности и отсутствием значительной миграции волокон утеплителя (сохранить высокую прочность утеплительного материала).
Следует отметить, что при выборе других значений линейных плотностей полиакрилонитрильных и бикомпонентных волокон будет происходить ухудшение характеристик материала в связи с перестроением механизма термоскрепления и огнезащитных свойств. Поэтому указанный технический результат обеспечивается только в конкретной смеси с конкретной плотностью компонентов, их массовым содержанием, с указанным термоскреплением в полотно с дополнительным термоскреплением наружных участков материала горячими валами каландра, с указанной конструкцией бикомпонентного волокна.
ГОСТ ISO 14116-2016 «Система стандартов безопасности труда. Одежда и материалы для защиты от тепла и пламени. Ограниченное распространение пламени. Требования к огнестойкости» устанавливает требования и методы оценки свойств материалов, пакетов материалов, одежды специальной защитной (спецодежды) в части ограничения распространения пламени. Спецодежда, изготовленная в соответствии с настоящим стандартом, предназначена для защиты работающих от случайного кратковременного контакта с небольшим пламенем при отсутствии существенного риска от тепла другой природы. Система классификации приведена для материалов, пакетов материалов и спецодежды, испытанных в соответствии с ISO 15025, метод А. Указанный стандарт устанавливает технические требования к спецодежде и материалам для ее изготовления при проектировании, постановке на производство и подтверждении соответствия.
Под отверстием в указанном стандарте понимается разрушение размером не менее 5×5 мм, вызванное плавлением, нагреванием или горением испытуемого образца. Под индексом ограниченного распространения пламени в указанном стандарте понимается цифра, указывающая, что материал имеет свойства ограничивать распространение пламени в соответствии с установленным уровнем.
Требования, соответствующие индексу ограниченного распространения пламени 1: при распространении пламени ни на одном из образцов граница пламени или отверстия не должны достигать верхней или любой из вертикальных кромок; ни один из образцов не должен выделять горящих остатков; остаточное тление не должно превышать 2 с (≤2 с); тление не должно распространяться с обугленной поверхности на неповрежденную область после воздействия пламени на поверхность пробы по ISO 15025.
Требования, соответствующие индексу ограниченного распространения пламени 2: при распространении пламени ни на одном из образцов граница пламени не должна достигать верхней или любой из вертикальных кромок; ни один из образцов не должен выделять горящих остатков; остаточное тление не должно превышать 2 с (≤2 с); тление не должно распространяться с обугленной поверхности на неповрежденную область после воздействия пламени на поверхность пробы по ISO 15025; ни один из образцов не должен иметь отверстий (сквозных) размером более 5 мм в любом направлении материала, используемого для защиты от пламени.
Требования, соответствующие индексу ограниченного распространения пламени 3: при распространении пламени ни на одном из образцов граница пламени не должна достигать верхней или любой из вертикальных кромок; ни один из образцов не должен выделять горящих остатков; остаточное тление не должно превышать 2 с (≤2 с); тление не должно распространяться с обугленной части на неповрежденную область после воздействия пламени на поверхность пробы по ISO 15025; ни один из образцов не должен иметь отверстий размером более 5 мм в любом направлении материала, используемого для защиты от пламени; время остаточного горения каждого из образцов не должно превышать 2 с (≤2 с). То есть требования, соответствующие индексу ограниченного распространения пламени 3, являются самыми жесткими.
Окисленные/восстановленные полиакрилонитрильные волокна являются огнестойкими негорючими волокнами. Их высокие тепловые характеристики достигаются за счет выбора оптимальной линейной плотности волокон в зависимости от других компонентов материала, их массового содержания, расположения, метода скрепления.
Процесс окисления полиакрилонитрильных (ПАН) волокон известен и происходит любым известным специалисту способом. В качестве одного из примеров, в патенте RU 2258104 С1, 10.08.2005 описывается производство огнестойких ПАН волокон текстильного назначения, показан процесс окисления указанных волокон путем непрерывного ступенчатого термического воздействия с отводом тепла.
Нетканый утеплительный огнестойкий материал для формирования подкладочного слоя швейного изделия по структуре выполнен в виде трех слоев - верхнего 1, нижнего 3 и внутреннего 2 (см. фиг. 2). Верхний 1 и нижний 3 слои имеют более высокую прочность, чем внутренний слой 2. Верхний 1 и нижний 3 слои сформированы дополнительным термическим скреплением наружных участков материала горячими валами каландра. Каландрированные слои 1 и 3 получаются процедурой дополнительного термоскрепления с помощью каландра (горячими валами). Каландрированные слои обеспечивают дополнительную огнестойкость продукта за счет того, что исключают миграцию волокон с поверхности материала, а также придают целостность и структурную прочность материалу. Размер микроячеек в поверхностных слоях (каландрированных 1 и 3) получается меньше, чем в основном слое 2, что дополнительно влияет на повышение суммарного теплового сопротивления материала. Волокна в каландрированном слое расположены горизонтально, так же как и основном слое, при этом каландрированный слой может иметь толщину от 0,20 до 0,25 мкм.
Неровнота по массе полотна по площади, а также по длине и ширине составляет не более 7%. При значении неровноты по массе более 7% возникает неравномерность свойств утеплительного материала, в результате чего в местах снижения массы материала значительно снижаются огнестойкость, прочность и суммарное тепловое сопротивление утеплительного материала.
Заявляемый утеплитель является высокотехнологичным синтетическим теплоизолирующим материалом, разработанным из тонких волокон с небольшой указанной линейной плотностью со специальными огнестойкими свойствами. Обеспечивает наибольшую теплозащиту, сохраняя легкий вес, эффективную воздухопроницаемость, мягкость и объем материала, сохраняет тепло при повышенной влажности, легко стирается и быстро сохнет, обладая при этом защитными огнестойкими характеристиками. Дополнительно, заявляемый материал имеет относительно высокую прочность, скрепляемость (благодаря термоскреплению бикомпонентным волокном). Придание материалу упругости и эластичности происходит также за счет термоскрепления волокон и каландрирования внешних слоев утеплительного материала. При пошиве к швейному изделию, простегивание может производиться на обычном стегальном оборудовании. Рекомендуемый шаг сквозного простегивания - от 10 до 15 см.
сум
⋅
2
Теплозащитные (теплоизоляционные) свойства материала определялись на приборе МТ-380 с помощью методики определения суммарного теплового сопротивления в соответствии с ГОСТ 20489-75, которая заключается в измерении времени остывания пластины прибора в заданном интервале перепадов температур между поверхностью пластины, изолированным материалом или пакетом материалов и окружающим воздухом. Установленный размер для испытуемых образцов 360×500 мм. Испытания одного образца проводят на двух пробах, которые выдерживаются в атмосферных условиях при температуре 20(±2)°С и относительной влажности воздуха 60(±2)%. Испытания начинают с определения толщины нетканого материала толщиномером при давлении 0,2 КПа в 10 точках, далее вычисляют среднее арифметическое значение результатов измерений. Образец заправляют лицевой стороной к воздушному потоку натяжением, достаточным для фиксации образца. Вводят фактические значения поверхностной плотности и толщины испытуемого образца. Прибор автоматически выдает показатель. Значение показателя суммарного теплового сопротивления R измеряется в м°С/Вт.
2
Пример 1 (сравнительный). Материал в примере 1 не является заявляемым материалом и содержит по массе 65% окисленных полиакрилонитрильных волокон, 35% бикомпонентных волокон. Линейная плотность бикомпонентных волокон 0,22 текс, окисленных полиакрилонитрильных волокон 0,17 текс. Результат испытаний по ГОСТ ISO 14116: материал соответствует 2 индексу, однако 3 индекс не достигнут.Суммарное тепловое сопротивление материала составляет 0,48 м°С/Вт. Разрывная нагрузка по длине/ширине: 18,6/41,2 Н (фиг. 1).
2
Пример 2. Материал в примере 2 является заявляемым материалом и содержит по массе 70% окисленных полиакрилонитрильных волокон, 30% бикомпонентных волокон. Линейная плотность бикомпонентных волокон 0,22 текс, окисленных полиакрилонитрильных волокон 0,17 текс. Результат испытаний по ГОСТ ISO 14116: материал соответствует индексу 3, материал имеет требуемый индекс ограниченного распространения пламени (т.е. обеспечивается высокая огнестойкость), а также высокие тепловые характеристики (обеспечивается высокое суммарное тепловое сопротивление 0,54 м°С/Вт), хорошие разрывные характеристики (разрывная нагрузка по длине/ширине: 17,2/37,2 Н) и обладает относительно высокой прочностью утеплительного материала (фиг. 1).
2
Пример 3. Материал в примере 3 является заявляемым материалом и содержит по массе 80% окисленных полиакрилонитрильных волокон, 20% бикомпонентных волокон. Линейная плотность бикомпонентных волокон 0,22 текс, окисленных полиакрилонитрильных волокон 0,17 текс. Результат испытаний по ГОСТ ISO 14116: материал соответствует индексу 3, материал имеет требуемый индекс ограниченного распространения пламени (т.е. обеспечивается высокая огнестойкость), а также высокие тепловые характеристики (обеспечивается высокое суммарное тепловое сопротивление 0,52 м°С/Вт), обладает целостностью утеплительного материала (разрывная нагрузка по длине/ширине: 8,3/21,8 Н), см. фиг. 1.
Представленные примеры подтверждают причинно-следственную связь существенных признаков заявляемого материала с указанным техническим результатом. Все признаки, выраженные в формуле настоящей полезной модели, являются существенными, и каждый из этих признаков влияет как на повышение огнестойкости, так и на повышение суммарного теплового сопротивления материала, на сохранение его целостности, при этом указанные признаки невозможно разделить или исключить часть из них (поскольку в этом случае произойдет перестроение всего механизма скрепления материала и изменение его структуры, свойств). Таким образом, предложенный нетканый волокнистый утеплительный огнестойкий материал для формирования подкладочного слоя швейного изделия обеспечивает одновременное повышение огнестойкости и суммарного теплового сопротивления утеплительного материала при сохранении его целостности.