CC BY
78
УДК 687.023:678.7
СОЗДАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КЛЕЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТНЫХ ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Покровская Екатерина Павловна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии швейных изделий, [email protected],
Метелёва Ольга Викторовна, доктор технических наук, профессор зав. кафедрой технологии швейных изделий, [email protected],
Бондаренко Людмила Ивановна, кандидат технических наук, доцент кафедры физики и нанотехнологий,
Белякова Анна Николаевна, инженер,
ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия»,
г. Иваново
CREATION OF ADVANCED GLUE MATERIALS FOR PROTECTIVE WEARING APPAREL
Meteleva O.V., Pokrovskaya E.P., Bondarenko L.I., Belyakova A.N.
Современные защитные материалы в значительной мере представлены материалами с мембранными покрытиями. Знание свойств этих материалов позволяет сделать обоснованный выбор технологии изготовления изделий для конкретных функциональных целей. Разработаны герметизирующие пленочные материалы, которые за счет универсальности могут успешно использоваться в производстве изделий для активного отдыха и туризма, а также для ремонта этих изделий в условиях предприятий сферы обслуживания.
Ключевые слова: мембранные материалы, герметизирующая пленка.
Today’s protective materials are mainly represented by membrane coverings. Knowing characteristics of these material one can make a reasonable choice concerning goods manufacture technology for particular functioning purposes. Sealing sheetings have been designed. Due to universality they can be successfully used to produce goods for outdoor activity and tourism as well as to mend these goods in conditions of service sphere enterprises.
Key words: membrane materials, sealing film.
Образ жизни современного человека характеризуется частой сменой функциональных процессов и жизненных ситуаций, высоким ритмом событий. В последнее время в связи с популяризацией здорового образа жизни возрос интерес к активным формам отдыха, туризму. Появление новых форм активного отдыха для восполнения затраченных умственных и физических ресурсов предполагает создание для них специальной амуниции: одежды, палаток, рюкзаков, спальных мешков и т.д. Эти
изделия играют роль барьера между человеком и окружающей средой при воздействии неблагоприятных или экстремальных её факторов и призваны обеспечить нормальное функционирование организма человека при различных внешних воздействиях. Подобные изделия относятся к защитным, поэтому должны соответствовать условиям эксплуатации и свойствам материала, из которого они изготовлены, а также должны быть ремонтопригодны, и в случае преждевременной потери специальных свойств иметь возможность их восстановления.
При современном уровне развития техники и технологии качество защитных швейных изделий напрямую зависит от степени использования инновационных технологий, материалов и от совершенствования производства с позиций обеспечения его экологической безопасности.
Защитные швейные изделия изготавливаются из материалов со специальными свойствами. Знание свойств этих материалов позволяет сделать обоснованный выбор технологии изготовления изделий для конкретных функциональных целей, обеспечив при этом его комфортность и надежность.
Аналитические исследования ассортимента водозащитных материалов показали, что в настоящее время они в значительной мере представлены материалами с мембранными покрытиями.
Мембрана - это пленка, способная тем или иным способом (в виде водяного пара через поры или за счет диффузии отдельных молекул через сам материал мембраны) транспортировать влагу через себя в сторону наименьшего содержания водяного пара. По способу производства мембранные материалы разделяют на два вида:
- membrane laminated - ламинированную мембрану (готовый мембранный лист приклеивают к тканевой основе);
- membrane coating - покрытие с мембранными свойствами (мембрану наносят на тканевую основу непосредственно в жидком виде, и, соответственно, мембранные свойства покрытие приобретает уже после высыхания).
Терморегуляция тела человека в одежде из таких материалов зависит от значения показателя их паропроницаемости.
По строению мембраны делятся на 3 категории: пористые, беспористые и комбинированные в зависимости от пленкообразующего полимера (рисунок 1, фото из [1]).
а) пористые Ооге-Тех б) беспористые 8о/1(ех
Рисунок 1 - Полимерные мембраны
Известно, что все полимеры делятся на гидрофобные, гидрофильные и переходные. Принято, что полимеры, впитывающие не более 1-2% влаги (по весу) считаются гидрофобными, 10% и более - гидрофильными.
Плёнки из гидрофобных полимеров непромокаемые и не пропускают водяной пар. Чтобы совместить непромокаемость и паропроницаемость, гидрофобные плёнки делают пористыми. Размер пор составляет около 0,2 мкм, а плотность - более 1,3 млн. пор/см2.
Капли воды при попадании на мембранную ткань снаружи не могут просочиться сквозь неё, т.к. поры мембраны слишком малы. Молекулы пара, образующегося в пододежном пространстве с внутренней стороны мембраны, выводятся наружу через поры мембраны, потому что молекула пара в тысячи раз меньше капли воды. В результате обеспечиваются водонепроницаемость мембранной ткани снаружи изделия и пароотводящие свойства изнутри изделия. Их преимущество перед другими - более высокая паропроницаемость при условии разницы в парциальных давлениях водяного пара внутри и снаружи изделия.
К недостаткам пористых мембран относится относительно высокая уязвимость для различных загрязнений, забивающих поры, что способствует снижению паропроницаемости в процессе эксплуатации, а также потенциальная возможность протекания, что обусловлено пористой конструкцией мембраны.
Гидрофильность полимеров объясняется полярностью молекул, которые образуют водородные связи с молекулами воды. Из таких полимеров получают беспористые, но паропроницаемые плёнки. Водяные пары связываются с гидрофильными молекулами полимера мембраны, далее молекулы воды продвигаются через толщу мембраны, связываясь последовательно с молекулами полимера, «переходя» на противоположную
сторону мембраны. Таким образом, гидрофильная мембрана обеспечивает перемещение молекул воды за счет химического взаимодействия, при этом градиент концентрации водяных паров на противоположных сторонах мембраны имеет существенное значение, как и для гидрофобных мембран.
Беспористые гидрофильные мембраны чаще всего производят из полиуретана. Разнообразие мембран по строению и свойствам достигается благодаря варьированию при синтезе полиуретана комбинаций полиолов и изоцианатов.
Пористое полиуретановое покрытие на ткани можно получать методом коагуляции при погружении раствора полимера в ванну с нерастворителем, т.е. мокрым формованием, либо за счет «прямого» покрытия полимерами. В первом случае сначала на поверхности контакта полимера и осадителя формируется тонкая оболочка из полимерной сетки, а затем по диффузионному механизму осадитель замещает растворитель в толще мембраны. Если используется технология «прямого» покрытия полимером, то в этом случае ткань пропитывается полиуретановой композицией, и микропористая структура образуется на стадии сушки и термообработки.
Преимущество гидрофильных мембран перед гидрофобными заключается в их долговечности, устойчивости к различного вида загрязнениям, работоспособности в широком диапазоне температур. А недостатком является то, что при активных физических нагрузках не все гидрофильные мембраны способны отводить необходимое количество пара за счет высокой продолжительности времени достижения максимальной паропроницаемости.
Количество продиффундировавшего вещества через единицу площади мембраны за единицу времени, то есть её паропроницаемость, будет зависеть от свойств мембраны и градиента концентрации (разницы в концентрации (давлении) водяных паров, находящихся по разные стороны мембраны). Чем больше разница концентраций водяных паров с противоположных сторон материала, тем более интенсивный поток молекул воды направлен в область с меньшей концентрацией. В данных процессах мембрана никак не ограничивает их направленность: куда будут перемещаться водяные пары зависит только от условий по разные стороны мембраны.
Снаружи все мембранные материалы обработаны водоотталкивающей пропиткой. Это снижает нагрузку на мембрану и позитивно отражается на внешнем виде изделия, т.к. оно не намокает. Однако, заметив со стороны мембраны влагу, не стоит считать, что мембрана промокла. Скорее всего, это просто влага из пододежного пространства, сконденсировавшаяся на внутренней поверхности мембраны.
Эффективность защитного швейного изделия из мембранных материалов зависит в равной степени от свойств материалов и от технологических процессов швейного производства, где они подвергаются механическим, физико-химическим воздействиям. Полученные изделия должны соответствовать назначению, условиям эксплуатации и защитным свойствам материала, из которого они изготовлены. Современные технологии получения водозащитных материалов не решают полностью задачи изготовления высококачественной защитных изделий. Независимо от структуры материала и вида специальной отделки в результате соединения деталей защитные свойства швейного изделия снижаются по сравнению с исходным уровнем, т.к. ниточные соединения не являются герметичными за счёт наличия воздушных прослоек между соединяемыми слоями и перфорации материалов иглой.
В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения необходимость герметизации швов в изделиях из мембранных материалов. Герметичность швов - это не единственная, но существенная характеристика, определяющая условия и срок эксплуатации защитной одежды. Герметизированные швы должны обладать непроницаемостью для агрессивных сред не ниже непроницаемости материала, из которого изготовлено изделие, быть эластичными и прочными, стойкими к комплексу эксплуатационных воздействий, в том числе к стирке (химчистке).
Решение задачи разработки эффективной герметизации швов в изделиях из материалов с полимерными покрытиями невозможно без создания специальных материалов и технологии их применения. Герметизирующие материалы для водозащитных швейных изделий должны обеспечить полное блокирование отверстий от проколов иглой и воздушных прослоек между соединяемыми материалами при воздействии воды, надежность швов в процессе эксплуатации.
Назначение изделий, условия их производства и эксплуатации формируют требования к используемым герметикам:
- возможность переработки в условиях швейного производства;
- обеспечение высокой адгезии даже на сложных поверхностях материалов;
- устойчивость к гидролизу, агрессивным средам, механическим воздействиям и нагреву;
- способность образовывать в зоне соединения деталей непроницаемые для воды плёнки.
Аналитические исследования показали, что наиболее перспективными пленкообразующими композициями для герметиков водозащитных швейных изделий являются водные дисперсии акриловых полимеров, обладающие следующими достоинствами:
- огнестойкость;
- высокая скорость высыхания, легкость очистки используемых инструментов;
- растворимость в воде;
- способность образовывать моющиеся покрытия, устойчивые к истиранию;
- физиологическая безвредность;
- агрегативная устойчивость;
- низкий порог коагуляции;
- экологическая безопасность.
На кафедре технологии швейных изделий ИГТА совместно ФГУП «ИвНИИПИК» ФСБ России разработана технология герметизации швов с использованием новых клеевых герметизирующих материалов с остаточной липкостью.
Несомненным достоинством разработанных клеевых материалов является универсальность, обеспеченная их свойствами, что способствует расширению области использования. Герметизирующие плёночные материалы могут перерабатываться как в массовом, так и в индивидуальном производстве защитных швейных изделий, использоваться при ремонте изделий для активного отдыха и туризма из материалов с высоким уровнем водоупорности, натуральной и синтетической кожи, меха, а также при изготовления швейных изделий со специальными свойствами с наполнителями из сыпучих материалов, структурированных дисперсных систем, швейных изделий медицинского назначения.
Для получения герметизирующих материалов были использованы катионактивные латексы опытно-промышленного производства ФГУП «НИФХИ им. Л.Я. Карпова», отличающиеся повышенной влаго-, свето-, атмосферостойкостью, а также улучшенными прочностными характеристиками по сравнению с анионактивными, позволяющие получить непроницаемые изолирующие пленки с различными физико-механическими характеристиками, а также клеевые пленки, обладающие остаточной липкостью. Это обусловлено структурой полимера, образующей дополнительные поперечные связи, получаемые благодаря воздействию ионизирующего излучения.
Акриловые латексы были изготовлены эмульсионной сополимеризацией полимеров и радиационным сшиванием сополимера в латексной форме. Этот метод синтеза позволяет получить полимеры, сочетающие традиционные свойства акрилатов (водостойкость, прозрачность, бесцветность, нетоксичность, эластичность, атмосферо-, водо-, маслостойкость, устойчивость к ультрафиолетовому излучению) со
специфическими (высокая адгезия к различным субстратам). Преимуществами данной технологии синтеза латексов являются:
- возможность тонкого варьирования свойств сополимеров в зависимости от конкретных требований (состав сополимера, степень сшивания, отсутствие остатков инициирования);
- получение экологически чистых латексов за счет связывания непрореагировавших мономеров в процессе радиационного сшивания;
- отсутствие двойных связей в продукте существенно повышает свето-, тепло-, кислородо-, озоностойкость, наличие полярных групп обеспечивает изделиям из акрилатов высокую масло-, бензостойкость [2].
Размер латексных частиц лежит в интервале 80-120 нм, причем в латексах содержатся глобулы различных размеров, т. е. существует их определенное распределение по величине в объеме композиции, что обусловливает гладкость получаемых пленок, малую жесткость. Величина латексных частиц определяет вязкость композиций, агрегативную устойчивость при хранении, пропитывающую способность, скорость сушки плёнок. Применяемые латексы - высококонцентрированные, но маловязкие композиции, прочность плёнок при разрыве (в зависимости от марки) находится в пределах 0,5-4 МПа, относительное удлинение - в интервале 200-3000%, температура стеклования плёнок -минус 40°С. Размер частиц латекса тесно связан с минимальной температурой пленкообразования, выше которой он высыхает с образованием непрерывной плёнки, а ниже - остается в виде порошка или непрочного конгломерата. Пленкообразующую способность акриловые латексы начинают проявлять при 5°С.
Механизм образования плёнки из полимерных дисперсий заключается в сложной последовательности физических изменений. При испарении водной фазы достигается плотное упорядоченное расположение частиц латекса. После высушивания акрилатные латексы образуют водонепроницаемые, термо- и гидролизоустойчивые плёнки, обладающие необходимой прочностью.
Физико-механические свойства плёнок из латекса можно регулировать на стадии синтеза изменением состава сополимера. В зависимости от содержания мономеров можно
менять температуру стеклования полимеров, твёрдость, жёсткость, эластичность, получить клеевые полимеры с постоянной остаточной липкостью. Содержание в сополимерах бутилакрилата (БАК) обеспечивает эластичность и малую жесткость плёнок. При содержании в сополимерах БАК в определенном диапазоне возможно получение пленок, обладающих остаточной липкостью. Макромолекулы сополимера в этих клеевых пленках способны ориентироваться под нагрузкой. Это свойство использовано во внутреннем клеевом слое герметизирующего материала, именно на нем основано создание клеев, чувствительных к давлению.
Для повышения адгезии к различным субстратам, обеспечения устойчивости к введению наполнителей в сополимер вводят метакриловую кислоту, содержащую карбоксильные группы (-СООН). Специфические свойства карбоксильных латексов проявляются, главным образом, при нейтрализации групп -СООН, т.е. при изменении рН латекса. Наличие метакриловой кислоты в определенном количестве позволяет регулировать вязкость латекса в широких пределах изменением рН. Дальнейшее увеличение концентрации звеньев МАК приводит к снижению прочности при отслаивании склеиваемых субстратов. По-видимому, увеличение адгезии за счет карбоксильных групп подавляется увеличением жесткости макромолекул, ограничением их подвижности и снижением площади контакта между клеем и субстратом [3].
Наличие в сополимере звеньев акрилонитрила, содержащего сильнополярные нитрильные группы, обеспечивает бензо-, маслостойкость плёнок. Чем больше в сополимере акрилонитрила, тем менее липкие (в случае клеевых) и более жесткие полученные плёнки, поэтому его избыток нежелателен [4].
Для герметизации швов защитных швейных изделий были разработаны из акриловых латексов многослойные пленочные герметизирующие материалы различных структур для внутришовной и поверхностной герметизации (рисунок 2) и технология их получения, а также наиболее рациональные составы пленкообразующих композиций.
Высокая адгезионная прочность соединений, полученных с использованием новых клеевых материалов, обусловлена не только химическим составом клеевого слоя, но и его вязко-упругими свойствами, а также наногеометрией клеевой поверхности, что способствует проявлению универсальных ван-дер-ваальсовых сил межмолекулярного взаимодействия, в основе которых лежат квантовые механические эффекты. Макромолекулы клеевого слоя герметизирующего материала упакованы таким образом, что при контакте легко проникают в шероховатости субстрата. Адгезия между клеевым слоем герметизирующего материала и поверхностью субстрата возникает в результате
действия ван-дер-ваальсовых сил. Известно, что ван-дер-ваальсовые силы - это слабые силы (~ 3-4 кДж/моль), слабее водородных, ионных, ковалентных, координационных, донорно-акцепторных. Но в силу своей универсальности и способности проявляться на очень малых (нанометровых) расстояниях эти силы, складываясь, обеспечивают очень высокую суммарную энергию сцепления. Известно, что эти же силы лежат в основе взаимодействия макромолекул твердого полимера и определяют его прочность на разрыв. Проявляясь на протяжении всей длины макромолекул, они значительно превышают энергию единичной ковалентной связи в цепи главных валентностей, что обусловливает достаточную прочность клеевых плёнок.
а) герметизирующие материалы для внутришовной герметизации
армированный текстильным материалом:
1 - клеевой слой; 2 - праймер;
3 - текстильный материал
армированный пленкой:
1 - неклеевая пленка; 2 - клеевой слой
Г
—V—г—• ' •
* —Я-----------------• * —Я-
однослойная клеевая пленка б) герметизирующие материалы для поверхностной герметизации
армированный текстильным материалом:
1 - изолирующая неклеевая пленка;
2 - клеевой слой;
3 - текстильный материал
армированный пленкой:
1 - изолирующая неклеевая пленка; 2 - клеевой слой
Рисунок 2 - Варианты структур герметизирующих материалов
Природа липкости клеёв из акриловых латексов определяется физическими свойствами, характерными для самого полимера, а их необходимые эксплуатационные характеристики обеспечиваются в результате сшивания полимера [5]. Липкость является самостоятельной реологической характеристикой клея, природа которой не объясняется в полной мере ни адгезией, ни когезией, ни поверхностным натяжением полимера.
Причины липкости кроются в явлениях своеобразного структурирования и ориентации молекул, происходящих в объеме полимера при образовании и нарушении адгезионного контакта. Липкость полимеров обусловлена содержанием в них гибких молекул, способных ориентироваться и взаимодействовать друг с другом и с субстратом, образуя своеобразные структуры или каркасы, обеспечивающие адгезионную прочность соединений, противодействующую силам, стремящимся разрушить адгезионный контакт.
Внутренние напряжения герметизирующего материала, возникающие в результате неоднородности структуры по толщине, способны вызвать его самопроизвольное отслоение. Они увеличиваются с ростом толщины слоев герметизирующего материала. Наличие внутренних напряжений в герметизирующем материале, дублированном антиадгезионным носителем, можно обнаружить при самопроизвольном нарушении равновесия образца материала, подвешенного вертикально (метод консолей). У разработанных герметизирующих материалов внутренние напряжения незначительны, т.к. эти материалы находятся в высокоэластическом состоянии, что исключает создание тангенциальных напряжений, противодействующих адгезии [6]. При вертикальном подвешивании клеевые материалы находятся в равновесном состоянии, т. е. угол отклонения от вертикали равен нулю. Из этого можно сделать вывод о том, что внутренние напряжения, существующие в готовых к использованию герметизирующих материалах, минимальны, не снижают их адгезию к полимерным покрытиям водонепроницаемых материалов и не вызывают самопроизвольного отслоения герметизирующего материала от поверхности шва.
Герметизирующий материал должен выдерживать все деформации, возникающие при эксплуатации швов в герметизируемых изделиях. Для исключения отслаивания герметизирующего материала от поверхности шва при растяжении необходимо, чтобы его относительное удлинение было больше относительных удлинений швов в продольном и поперечном направлениях, а также больше относительного удлинения основного материала. Относительные удлинения швов различных конструкций из материалов с покрытиями достигают в продольном направлении 30%, в поперечном - 25%, а относительные удлинения герметизирующих материалов - не менее 350% в обоих направлениях. Значительное превышение относительного удлинения пленочных материалов над относительными удлинениями основных материалов и швов позволяет сделать вывод о сохранении адгезионного контакта между герметизирующим и основным материалом при растяжении швов.
Результат использования технологии герметизации швов определяется главным образом правильным выбором герметизирующего материала, а именно его структуры и состава.
Таким образом, были определены оптимальная структура герметизирующего материала, предполагающая наличие нескольких слоев (один - изолирующий и армирующий, один - клеевой), и наиболее рациональные составы пленкообразующих композиций, а также разработана технология получения многослойного герметизирующего материала.
Разработанные герметизирующие материалы были изготовлены наносным способом на наносно-переносной линии “Spooner” (Япония) в условиях опытноэкспериментального производства ФГУП ФСБ «Ивановский научно-исследовательский институт пленочных материалов и искусственных кож». Ширина полученных на установке герметизирующих материалов составляет 60 см, толщина - от 0,15 мм до 0,35 мм (в зависимости от вида материала), длина - от 5 до 50 метров. Изготовленные промышленным способом плёнки, предварительно разрезанные на полосы необходимой ширины при помощи специального устройства, можно использовать для герметизации швейных изделий.
Перспективность применения клеевых герметизирующих материалов заключается в расширении их функциональности. Например, придание внешней (неклеевой) поверхности световозвращающих свойств. Сигнальные элементы с наружной световой информацией могут быть использованы в виде клеевой аппликации на одежде для детей и взрослых, рюкзаках, сумках, головных уборах.
Таким образом, разработанные герметизирующие пленочные материалы могут успешно использоваться в производстве изделий для активного отдыха и туризма, а также для ремонта этих изделий в условиях предприятий сферы обслуживания.
Литература
1. http://www.bask.ru/info/papers/technology/membrane. (Дата обращения: 28.08.2012).
2. Кузнецов В.П., Штейнберг С.А., Краюшкина Е.И. Латексы: свойства,
модификация, ассортимент. М.: ЦНИИТИ Нефтехим, 1984. 90 с.
3. Воднодисперсионные акриловые клеи / Е.С. Клюжин, Л.М. Шевчук, Т.А. Валешняя, О.И. Ермилова, Е.Н. Мильченко // Пластические массы. 1999. №6. С. 41-43.
4. Хавкина Б.Л. Особенности структурных превращений в акриловых дисперсиях // Пластические массы. 1991. №3. С. 13-16.
5. Самоклеющиеся материалы - современное направление в отрасли переработки пластмасс // Пластические массы. 1999. №10.
6. Зимон А. Д. Адгезия пленок и покрытий. М.: Химия, 1977. 352 с.
