СИНТЕТИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ С МИКРОПОРИСТОЙ МЕМБРАНОЙ
SYNTHETIC INSULATION WITH MICROPOROUS MEMBRANE

Область техники
Настоящее изобретение относится к водонепроницаемому воздухопроницаемому изоляционному материалу, в частности к материалу, используемому в верхней одежде и обуви.
Уровень техники
Любителям находиться на открытом воздухе для защиты от природных явлений постоянно требуется технически усовершенствованная одежда. Этот спрос привел к разработке нескольких водонепроницаемых воздухопроницаемых материалов, в которых ткань соединена путем ламинирования стойкими пленками или мембранами. Водонепроницаемые воздухопроницаемые ткани использовались для рабочей одежды в течение многих десятилетий и зарекомендовали себя в качестве предпочтительного технического компонента. Для владельца с точки зрения комфорта очень важно, чтобы вода снаружи не проникала через одежду к телу и чтобы испарения от тела удалялись через одежду. Однако такие ткани, хотя и считаются воздухопроницаемыми, недостаточно хорошо пропускают пары влаги. Кроме того, наиболее воздухопроницаемые ткани имеют невысокие теплоизоляционные свойства. Далее, ткани, соединенные путем ламинирования с некоторыми типами мембран, плохо сгибаются и при пользовании создают шум. Таким образом, несмотря на то, что такие ткани классифицированы как водонепроницаемые и воздухопроницаемые, их воздухопроницаемость меньше, чем желательно, а изоляционные свойства ограничены, и поэтому их нужно использовать в сочетании с другими теплоизоляционными материалами, а пользователь вынужден мириться с их жесткостью и шумом, которые они производят.
Изоляционные материалы часто используются в сочетании с рабочей одеждой или входят в ее состав, чтобы обеспечить тепловую защиту. Однако большинство изоляционных материалов не обладает водоотталкивающими свойствами или, если имеют эти свойства, то ценой соответствующего ухудшения теплоизоляционных свойств. Изоляция PrimaLoft, описанная в патентах США №№4992327 и 4588635, которые включены в настоящее описание путем ссылки, является уникальной среди синтетических изоляционных материалов в том смысле, что она обладает превосходными водоотталкивающими свойствами в дополнение к теплоизоляционным свойствам, обусловленным структурой, состоящей из микроволокон и тонких волокон.
Однако изоляционный материал PrimaLoft использовался прежде всего в качестве замены натурального пуха, имея при этом дополнительное преимущество, будучи водонепроницаемым. Альтернативно, прочес из PrimaLoft применялся в швейных изделиях в качестве отдельного изоляционного слоя. Часто его механически прикрепляли к другим слоям тканого или нетканого материала, например, путем простегивания. Однако сам по себе изоляционный материал PrimaLoft не обладает достаточной структурной целостностью или приемлемым эстетически внешним видом, чтобы использовать его и как изоляционный материал, и как наружный слой в одежде.
Другим элементом многих водонепроницаемых воздухопроницаемых тканей являются монолитные мембранные пленки, образующие в ткани воздухопроницаемый барьер. Монолитные мембраны пропускают водяной пар благодаря использованию гидрофильного полимерного слоя, который поглощает воду вблизи кожи и переносит ее наружу.
К сожалению, в монолитных пленках обычно происходит сильное набухание гидрофильного слоя, что значительно ухудшает способность пленки удалять пар и снижает комфорт для потребителя. Кроме того, такой тип мембраны имеет очень высокую прочность на разрыв, что вообще является достоинством технической ткани, однако это придает одежде излишнюю жесткость, что обычно достоинством не считается.
В соответствии с изложенным имеется потребность в водонепроницаемом воздухопроницаемом изоляционном материале, который имеет прекрасные водоотталкивающие свойства или водонепроницаемость в сочетании с прекрасным удалением пара и который не набухает и имеет достаточную прочность на разрыв, но не является слишком жестким для владельца одежды или не производит шума.
Сущность изобретения
Один вариант осуществления изобретения относится к изоляционному слоистому материалу, содержащему слой функциональный ткани, слой микропористой мембраны с высокой воздухопроницаемостью, имеющий сеть пор, и воздухопроницаемый водоотталкивающий изоляционный слой, причем эти слои соединены путем ламинирования с образованием водонепроницаемой воздухопроницаемой изоляционной ткани.
В другом варианте осуществления изобретения изоляционный слой представляет собой воздухопроницаемый водоотталкивающий изоляционный слой в виде когезионной волокнистой структуры, содержащей:
(а) 70-95 весовых процентов синтетических полимерных микроволокон с диаметром 3-12 микрон и
(б) 5-30 весовых процентов синтетических полимерных макроволокон с диаметром 12-50 микрон.
Изобретение также относится к способу изготовления водонепроницаемого изоляционного слоистого материала. Способ включает обеспечение наличия первого слоя функциональной ткани, второго слоя микропористой мембраны и третьего слоя воздухопроницаемой водоотталкивающей изоляции. Первый слой соединяют со вторым слоем, а второй слой - с третьим слоем.
Различные новые признаки, характеризующие изобретение, указаны в пунктах формулы изобретения, прилагаемой к описанию и образующей его часть. Для лучшего понимания изобретения, его преимуществ и целей, достигаемых при его использовании, ниже подробно описаны предпочтительные варианте его осуществления.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания изобретения его подробное описание сопровождается чертежами, где
на фиг.1 показано поперечное сечение водонепроницаемого изоляционного слоистого материала согласно изобретению,
на фиг.2 показано поперечное сечение другого водонепроницаемого воздухопроницаемого изоляционного слоистого материала согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Изобретение направлено на создание изоляционного слоистого материала 10, показанного на фиг.1, который является водонепроницаемым и воздухопроницаемым. Изоляционный слоистый материал 10 состоит из изоляционного материала 12, микропористой мембраны 14 и функциональной ткани 16. Изоляционный материал 12, микропористая мембрана 14 и функциональная ткань 16 соединены друг с другом предпочтительно с помощью известных способов ламинирования. В предпочтительном варианте осуществления изобретения ламинированный материал 10 содержит в качестве изоляционного материала 12 изоляцию PrimaLoft, а в качестве функциональной ткани 16 любой тканый, нетканый, ворсистый или другой тканый материал, приклеенный или прикрепленный путем ламинирования к поверхности микропористой мембраны 14, которая, в свою очередь, прикреплена путем ламинирования к изоляции PrimaLoft. Иногда желательно добавить дополнительный слой функциональной ткани или подкладки 18 к той стороне изоляционного материала 12, где нет мембраны, как показано на фиг.2.
Микропористая мембрана 14 является предпочтительным компонентом, поскольку она имеет сеть соединенных между собой микропор с высокой воздухопроницаемостью, размер которых можно изменять. Способность "дышать" и воздухопроницаемость микропористой мембраны 14 задают по выбору путем растяжения мембраны и манипуляции ею. Растяжение изменяет первоначальный размер пор мембраны. Микропористая мембрана пригодна для осуществления способов ламинирования.
Для использования микропористой мембраны в ней создают сеть пор с такими размерами и протяженностью, что достигается оптимальное прохождение паров влаги, но еще не допускается прохождение воды, однако все же не настолько, чтобы мембрану можно было считать водонепроницаемой и воздухопроницаемой.
Одним из преимуществ микропористой мембраны 14 является то, что она не поглощает воду и не разбухает. Монолитные мембраны, известные из уровня техники, обычно изготавливаются на основе полиуретана и работают за счет растворимости молекул воды в мембранном слое. В результате несмотря на их прочность на разрыв их использование менее желательно, так как они склонны к разбуханию. Известно, что такое разбухание изменяет гидрофильные свойства монолитных мембран.
В отличие от монолитных мембран, работа микропористой мембраны основана на диффузии паров влаги через поры. Типичный размер пор составляет, например, 1-8 мкм. Из-за такого размера пор микропористая мембрана согласно изобретению сама по себе не считается водонепроницаемой или гидрофобной. Микропористые мембраны обычно выполнены из политетрафторэтилена или другого полимерного материала с низкой степенью кристалличности (в общем случае, менее 30%). Полимерный материал может быть смешан с неорганическим наполнителем с размером частиц 0,5-5 мкм. Микропористая мембрана может иметь толщину в диапазоне приблизительно 30-50 мкм. Важно, что такие микропористые мембраны не набухают, в отличие от монолитных мембран.
При прикреплении изоляционного слоя 12 путем ламинирования к микропористой мембране 14 ее прочность на разрыв, которая вообще меньше, чем у монолитных мембран, значительно повышается. Кроме того, жесткость такой комбинации оказывается намного меньше, чем при соединении изоляционного материала с монолитной мембраной.
Для дальнейшего повышения водонепроницаемости изоляционного слоистого материала функциональный слой 16 можно покрыть искусственной кожей или обработать для придания ему стойких водоотталкивающих свойств.
Согласно одному из аспектов изобретения изоляционный слой 12 выполнен из теплоизоляционного материала из синтетического волокна в виде когезионной волокнистой структуры, содержащей:
(а) 70-95 весовых процентов синтетических полимерных микроволокон с диаметром 3-12 микрон и
(б) 5-30 весовых процентов синтетических полимерных макроволокон с диаметром 12-50 микрон,
3
3
причем по меньшей мере некоторые волокна соединены в их контактных точках так, что плотность полученной структуры находится в диапазоне 3-16 кг/м (от 0,2 до 1,0 фунтов/фут), а при осуществлении соединения не происходит существенного ухудшения теплоизоляционных свойств структуры по сравнению с указанными волокнами в несоединенном состоянии.
Микроволокна и макроволокна, используемые согласно изобретению, могут быть выполнены из полиэфира, нейлона, искусственного шелка, ацетата, акрила, модифицированного акрила, полиолефинов, спандекса, полиарамидов, полиимидов, фторуглеродов, полибензимидазолов, поливиниловых спиртов, полидиацетиленов, полиэфиркетонов, полиимидазолов и полимеров сульфида фенилена, например, имеющихся на рынке под торговым названием RYTON, или любого другого подходящего материала.
Соединение может быть выполнено по меньшей мере между некоторыми макроволокнами с образованием опорной структуры для микроволокон или между макроволокнами и между микроволокнами в различных контактных точках. Макроволокна могут быть изготовлены из одного и того же материала или из разных материалов, а также из того же материала, что и микроволокна или из другого материала.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения микроволокна выполнены из полиэтилентерефталата, а макроволокна из полиэтилентерефталата или полиарамида, например, известного под торговой маркой "Kevlar".
Макроволокна могут представлять собой моноволокна, т.е. волокна, имеющие по существу однородную структуру, или многокомпонентные волокна, имеющие компонент для облегчения соединения волокон между собой. Волокно может представлять собой смесь волокон, в которой по меньшей мере 10 весовых процентов составляют макроволокна легкоплавкого термопластичного материала для лучшего соединения волокон. В другом варианте осуществления изобретения макроволокна могут быть смесью многокомпонентных макроволокон с однокомпонентным макроволокном, которое может соединяться с другими макроволокнами и/или с микроволокнами.
В еще одном варианте осуществления изобретения макрокомпонентное волокно может представлять собой соединение или смесь макроволокон, имеющих разные свойства; например, смесь макроволокон может содержать два или более различных волокон, например полиэфирное волокно, обеспечивающее желательное соединение, и волокно "Kevlar", обеспечивающее жесткость. Соотношение количества волокна, придающего жесткость, к волокну, обеспечивающему соединение, может быть различным и зависит от свойств, которые нужно получить, но при условии, что количество соединительных волокон является достаточным для создания макроволоконной структурой пористой опоры для микроволокон, как описано ниже.
Некоторые материалы, например волокна сульфида полифенилена, ароматические полиамиды, например, известные под торговой маркой "APYIEL", и полиимидные волокна, например, от австрийской компании Lenzing AG, обладают огнезащитными свойствами или являются негорючими. Поэтому такие материалы могут улучшить огнестойкость изделий, содержащих материалы согласно изобретению.
Согласно одному из аспектов изобретения соединение волокон изоляционного слоя 12 предпочтительно осуществляется между макроволокнами в их контактных точках. Цель соединения макроволокон между собой состоит в том, чтобы получить опорную структуру для микроволокон, которая сильно влияет на механические свойства изоляционного материала. При соединении макроволокон они образуют пористую волокнистую структуру, в которой могут находиться микроволокна. Альтернативно, макроволокна и/или микроволокна могут быть соединены в их контактных точках.
Соединения макроволокон между собой можно осуществить разными способами, например путем добавления твердых, газообразных или жидких клеящих веществ или предпочтительно путем нагрева, чтобы низкоплавкие волокна расплавились и сплавились в контактных точках.
Способ соединения компонентов изоляционного слоя 12 не является критичным; должно лишь удовлетворяться условие, что в результате соединения ни один из компонентов волокон не теряет своей структурной целостности. Специалистам в данной области техники понятно, что любое заметное изменение макроволокон или микроволокон в процессе соединения отрицательно влияет на их теплоизоляционные свойства и поэтому операцию соединения нужно проводить так, чтобы как можно лучше сохранились физические свойства и размеры волокон и их соединения.
Теплоизоляционные свойства присоединенного изоляционного слоя 12 предпочтительно такие же или немного хуже, чем у тех же компонентов в несоединенном состоянии.
В одном из вариантов осуществления изобретения на соединение внутри изоляционного слоя 12 можно повлиять путем нагрева волокон в течение некоторого времени до температуры, достаточной, чтобы они соединились. Такой нагрев может производиться при температуре примерно 125°С (257°F) - 225°С (437°F) в течение примерно 1-10 минут, а предпочтительно при температуре примерно 140°С (284°F) - 200°C (392°F) в течение примерно 3-7 минут. Продолжительность нагрева зависит от материалов смеси волоконных компонентов.
Как указано выше, материал PrimaLoft подходит для осуществления ламинирования с микропористой мембраной. Для осуществления ламинирования требуется по существу гладкая поверхность на изоляционном слое для обеспечения приемлемой адгезии с тканью.
Такую гладкую поверхность можно получить с помощью известных процессов, например путем каландрирования с использованием инфракрасного нагрева, каландрирования с помощью горячей плиты, с помощью нагреваемых валков, путем нанесения покрытия из смолы и/или уникальной обработки горячим воздухом в печи (уникальность заключается в манипуляции температурой и потоком воздуха). В дополнение к обработке поверхности нужно связать внутреннюю структуру прочеса, чтобы сохранить структурную целостность при длительном использовании и многократной стирке ламинированного изделия без расслаивания.
Хотя в предпочтительном варианте изобретения используется изоляция Primaloft, в частности прочес из Primaloft, можно использовать другие изоляционные материалы в пределах объема изобретения, включая тканые и нетканые изоляционные материалы из натуральных и искусственных волокон или их смесей.
Экспериментальные данные
2
2
2
Изоляционный слоистый материал 10 обеспечивает защиту от воды при гидростатическом давлении 2,0 фунтов на квадратный дюйм (0,145 кг/см) согласно Способу испытаний ААТСС 127, названному "Water Resistance: Hydrostatic Pressure Test [Водостойкость: Испытание на гидростатического давление]". Для верхней одежды в швейной промышленности принято, что водонепроницаемой считается любая ткань, выдерживающая гидростатическое давление свыше 2,0 фунтов на квадратный дюйм (0,145 кг/см). ААТСС является сокращением названия "Американская ассоциация химиков и производителей красок для текстильной промышленности" ["American Association of Textile Chemists and Colorists"]. AATCC 127 представляет собой способ испытаний, при котором измеряют стойкость ткани к проникновению воды под гидростатическим давлением и который применим ко всем типам тканей. На одну поверхность испытательного образца подается вода под давлением, увеличивающимся с постоянной скоростью до тех пор, пока на другой стороне образца не появятся три точки протечки. В одном эксперименте было обнаружено, что изоляционный слоистый материал 10 с прочесом из Primaloft в качестве изоляционного слоя 12 выдерживает гидростатическое давление свыше 185 см водяного столба или 2,63 фунтов на квадратный дюйм (1,2 кг/см). Таким образом, было установлено, что изоляционный слоистый материал 10 имеет водостойкость намного выше той, какая требуется для признания материала водонепроницаемым.
Другое испытание изоляционного слоистого материала состояло в определении скорости проникновения водяных паров (Water Vapor Transmission Rate = WVTR). Это испытание проводилось в соответствии со стандартом ASTME 96-00, процедура Е. В этом испытании определяют количество водяного пара, который может пройти через ткань за данный период времени.
2
Например, известная микропористая мембрана CELGARD 2500, которую в экспериментах часто принимают за эталон для сравнения и контроля, имеет скорость проникновения водяных паров 5000 г/м/24 ч.
2
Было установлено, что воздухопроницаемая верхняя одежда согласно уровню техники, например, описанная в Примере 1 патента США №6100208, которая содержит первый слой многокомпонентных волокон, второй слой многокомпонентных волокон и водонепроницаемый барьер между ними из полиэтилена с низкой плотностью, имеет скорость проникновения водяных паров 3465 г/м/24 ч. Однако одежда, описанная в патенте США №6100208, не имеет такого изоляционного слоя, как в настоящем изобретении. Ожидается, что добавление изоляционного слоя уменьшит скорость проникновения водяных паров в ткани для верхней одежды.
2
Испытание изоляционного слоистого материала согласно изобретению проводилось при 37,8°С и относительной влажности 90%. В этом испытании образец из ламинированной ткани SUPPLEX, микропористого мембранного материала и изоляции Primaloft, как описано в настоящем изобретении, имел скорость проникновения водяных паров 3521 г/м/24 ч. Это является хорошим результатом, так как испытательный образец содержит изоляционный слой, которого нет в двух описанных выше примерах, и при этом имеет более высокую скорость проникновения водяных паров, чем не имеющая изоляционного слоя ламинированная ткань для верхней одежды, и почти такую же скорость проникновения водяных паров, как сама мембрана в отдельности. Поэтому можно ожидать, владелец одежды, в которой используется изоляционный слоистый материал согласно изобретению, будет ощущать достаточный комфорт даже при занятии спортом.
Таким образом, цели, указанные выше, и те, которые стали очевидными из приведенного выше описания, эффективно достигаются, и поскольку при осуществлении указанного способа и создании структуры (структур) могут быть сделаны некоторые изменения в пределах объема изобретения, подразумевается, что весь материал, изложенный в описании и проиллюстрированный чертежами, служит только для пояснения изобретения и не ограничивает его.