CC BY
55
УДК 678.023:66
О. В. Метелева, М. В. Сурикова, С. В. Леппяковская ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Ключевые слова: клеевое соединение, материалы с разнородными свойствами.
Исследована адгезионная способность разработанного универсального клеевого пленочного материала. Доказана его эффективность к образованию прочных соединений с различными видами материалов. Представлены результаты экспериментальной оценки сопротивления расслаиванию клеевых соединений материалов с различной структурой поверхности. Установлен эффект повышения прочности после склеивания. Он обусловлен увеличением площади адгезионного контакта, потому что клей способен заполнить неровности поверхности субстрата. Даны рекомендации по использованию материалов.
Keywords: glued joint, materials with the heterogeneous properties.
Adhesive ability of the designed universal glue film material was investigated. Its efficiency to formation of strong connections with dif-ferent types of materials was proved. The experimental assessment results of resistance to stratifying of materials glue joins with a various surface structure were presented. The effect of toughness increase after pasting was established. It is caused by the adhesive contact area increase, because glue is capable to fill jaggies of a substratum surface. The recommendations about these materials using were made.
Введение
При изготовлении современных специальных швейных изделий применяют широкий ассортимент материалов. Они различаются способом производства, химическим составом, структурой, свойствами (текстильные эластичные и неэластичные материалы, ткани с пленочным покрытием, нетканые материалы, пленки, прорезиненные материалы, искусственная кожа). При изготовлении одного изделия специального назначения могут быть применены различные материалы для локального повышения износостойкости, прочности, эластичности, обеспечения прозрачности и т.п. Достичь этого можно за счет применения комбинации материалов, обладающих соответствующими характеристиками. Примером такого изделия, требующего наличия различных эксплуатационных характеристик в разных частях и изделия в целом, является средство индивидуальной защиты лица и головы - самоспасатель. Необходимо обеспечить герметичность изделия в целом и заданные очищающие свойства фильтра, высокую эластичность обтюратора, требуемую прозрачность «окна». При ниточном способе соединения возникают определенные трудности, как в процессе стачивания различных материалов, так и при эксплуатации изделия, поскольку ниточные швы не герметичны [1]. Однако при пошиве определенных видов швейных изделий, например, средств индивидуальной защиты, последнее требование является обязательным.
Целью работы является исследование свойств клеевых соединений, полученных с помощью нового универсального клеевого пленочного материала (УКПМ) и разнородных по технологическим свойствам материалов.
Экспериментальная часть
Универсальный клеевой пленочный материал для получения соединений различных материалов создан в научной лаборатории кафедры «Технология швейных изделий» университета [2]. УКПМ -
композиционный материал, не имеет специальной несущей основы, все его слои имеют однородную химическую структуру, но обладают различными характеристиками, обеспечивая комплекс требуемых свойств для использования в специальных швейных изделиях: высокую эластичность - не менее 200 %, невысокую жесткость - увеличение жесткости проклеенных ниточных соединений происходит в пределах 8-10 %, герметичность - водо- и газонепроницаемость; хемостойкость; стойкость к агрессивным средам - не менее 80-100 %.
Он получен из композиции акрилового полимера, обладает постоянной условной липкостью, что способствует достижению адгезионной прочности клеевых швов. Варьирование ингредиентного состава компонентов структуры этого материала позволяет тонко управлять его свойствами и получать универсальный многофункциональный композит. Липкий слой клеевого пленочного материала находится в вязкотекучем состоянии при нормальной температуре и способен заполнять микрошероховатости склеиваемых поверхностей. Вязкость клеевого вещества в клеевом слое высокая и для обеспечения максимальной площади контакта его с шероховатыми текстильными материалами требуется некоторое время, за которое происходит затекание клеевой массы в микровпадины рельефа.
Применение УКПМ снижает энергоемкость процесса проклеивания швов за счет исключения необходимости температурной и химической активации клеевого слоя, по сравнению с аналогичными термоклеевыми пленочными материалами фирм «PFAFF» (Германия), «Kouuci Enterprise Co., LTD» (Китай) [3, 4], обеспечивает экологическую безопасность производства и безопасность труда за счет повышения полноты сополимеризации компонентов самоклеящегося пленочного материала и снижения выделения токсичных мономеров.
В качестве объектов исследования рассмотрены несколько групп различных материалов, выпускае-
мых промышленностью и используемых в настоящее время для изготовления защитных изделий:
- материалы с покрытием (плащевая ткань с пленочным покрытием М1 (поверхностная плотность (ПП) = 74 г/м2), искусственная кожа поливинилхло-ридная (материал облегченный с пониженной горючестью) М2 (ПП = 458 г/м2));
- нетканые материалы: объемный нетканый фильтрующий материал иглопробивной М3 (ПП = 247 г/м2), нетканый материал спандбонд, обработанный антипиреном М4 (ПП = 58 г/м2) и без обработки М5 (ПП = 58 г/м2);
- пленочные материалы: эластичный пленочный материал М6 (ПП = 10 г/м2) (полиимидная пленка М7-1 (ПП = 42 г/м2) и М7-2 (ПП = 58 г/м2).
Склеивание материалов с УКПМ осуществляли при нормальной температуре 20-24 оС, механическое давление - 20-30 кПа, время воздействия давления - 1-2 с.
Исследовали динамику адгезии — изменение сопротивления расслаиванию (Ср) с течением времени существования клеевого соединения на приборе МТ
- 110 - 0,01 (ЗАО «Метротекс», Московская обл.).
Результаты исследований и их обсуждение
Использование для склеивания с различными материалами УКПМ позволяет получить эффективные и достаточно прочные клеевые соединения.
Экспериментальные исследования показали, что адгезионная способность исходных материалов различна и определяется химическим составом материала, но также она зависит от структуры их поверхности (рис. 1) - чем более гладкую и однородную структуру имеет поверхность субстрата, тем выше начальная адгезионная прочность полученного клеевого соединения, тем быстрее произойдет затекание клея в микровпадины материала, и чем более она неоднородная и шероховатая (нетканые клеёные и иглопрошивные полотна), тем ниже начальное сопротивление расслаиванию (Ср), дольше будет протекать процесс во времени [5]. Полученные экспериментальные данные позволяют предположить, что управление прочностью клеевого соединения при использовании УКПМ возможно за счет варьирования толщины клеевого слоя. Тогда для условно гладких поверхностей, к которым относятся пленочные и с пленочным покрытием материалы толщина клеевого слоя должна быть меньше, чем для материалов с более рельефной поверхностью. Дифференцирование УКПМ с учетом шероховатости поверхности текстильных материалов позволит обеспечить достижение большей площади контакта, а значит более высоких показателей адгезионной прочности.
По характеру поверхности в результате оценки Ср исследуемые материалы могут быть разделены на две характерные группы: первая группа включает материалы с пленочным покрытием и пленочные, имеющие условно гладкую поверхность М1, М2, М6 и М7; вторая - нетканые материалы с сильно развитой структурой поверхности М3, М4, М5. Характер поверхности первой группы материалов способствует достижению высокой адгезии уже при крат-
ковременном контакте с УКПМ при невысоком механическом давлении и после снятия давления продолжающемуся со временем увеличению адгезионной прочности: через 10 суток в 1,75____3,1 раза. Адгезия нетканых материалов соответственно более низкая после кратковременного контакта 1,3...2,0 Н/см увеличивается также, но в меньшей степени -в 1,6.1,7 раза. Минимальные значения адгезии характерны для объемного нетканого фильтрующего материала 1,3 Н/см, причем исследования его адгезионной прочности с УКПМ показывают, что они выше, чем прочность самого материала (рис. 2), поскольку происходит разрушение не клеевого соединения, а структуры нетканого объемного материала.
10
м
8
Д
ей М 6
^
р £ 4
н
£ 2
н
в
0
р з
а рц
■ ни.
М1-1 М1-2 М2 М7-1 М7-2 М6 М3 М4 М5 Условное обозначение материалов ■ 1 день 10 дней
Рис. 1 - Изменение адгезионной прочности клеевого соединения «материал + УКПМ» в зависимости от вида субстрата
Динамика изменения Ср в процессе существования полученных клеевых соединений неравномерна и неодинакова для выделенных групп материалов (рис. 3): для нетканых материалов значительный рост Ср происходит в первые двое суток, в течение последующих 8.12 суток происходит рост Ср, обеспечивающий ее максимальные значения и последующее замедление и стабилизация процесса (исследования проведены в течении 27 суток).
Очевидно, для материалов с пленочным покрытием и пленочных чем выше их начальная адгезионная прочность, тем меньший ее рост происходит со временем. Для тканей с пленочным покрытием М1 и М2 отмечается заметный рост Ср во времени -1,75.2,17 раза.
Рис. 2 - Фотография процесса исследования прочности клеевого соединения «М3 + УКПМ» через 10 суток
Рис. 3 - Изменение Ср в процессе существования клеевого соединения
Полиимидная пленка М7 имеет самую гладкую поверхность - ее Ср за исследуемый период увеличивается больше, чем для других материалов, - в 2,35...3,1 раза из-за минимальной шероховатости поверхности. Причем уже за первые сутки происходит максимальное увеличение Ср. Со временем сопротивление расслаиванию еще увеличивается: после расслаивания на полиимидной пленке остается слой клея УКПМ, что характеризует смешанный вариант формирования адгезии.
При исследовании адгезионной прочности клеевых соединений происходит растяжение УКПМ, так как он обладает высокой эластичностью, и часть фиксиремого прибором усилия расслаивания направлена на растяжение клеевого материала (рис.
4).
Рис. 4 - Фотографии процесса исследования прочности клеевого соединения «М7 + УКПМ»
Однородность структуры прослеживается в характере кривых для полиимидной пленки разной толщины - точки обоих кривых расположены с одинаковой закономерностью (кривые М7-1 и М7-2). Причем для пленки большей толщины кривая Ср лежит выше (больше величина Ср), вероятно, это связано с более плотной (соответственно более гладкой) структурой (рис.1, 3, М7-2).
Для тканей с пленочным покрытием (М1 и М2) точки кривых также расположены рядом. Для тканей с пленочным покрытием М1 и М2 процесс расслаивания проходит по структуре материала - при расслаивании пленочный слой материала остается на герметизирующей пленке, УКПМ отслаивается на величину 1...2 см (длина пробы составляет 10 см), остальное усилие направлено на ее растяжение. Для материала М2 характер расслаивания несколько иной и проходит по структуре УКПМ - слой клея остается на поверхности материала, растяжение УКПМ небольшое. Расслаивание происходит по всей длине образца. Такой различный характер адгезии можно объяснить различным химическим составом и толщиной покрытий материалов и, значит, характером их взаимодействия с пленочным покрытием, что сказывается на последующем клеевом соединении с УКПМ.
Для материала с пленочным покрытием М2 (искусственная кожа с поливинилхлоридным покрытием) характерно снижение Ср после склеивания: со временем прочность клеевого соединения становится ниже, но не за счет уменьшения адгезионной прочности, а за счет снижения когезионной прочности УКПМ. При расслаивании клеевого соединения разрушение происходит исключительно по структуре УКПМ, т.е. уменьшается аутогезия его слоев. Этот факт объясняется тем, что наличие сильной полярной связи -С-С1- в макромолекуле поливинил-хлорида ослабляет взаимодействие слоев пленки между собой. Сопротивление расслаиванию соединения УКПМ и поливинилхлоридного покрытия искусственной кожи происходит более сильно и приводит к разрушению при расслаивании более слабого когезионного взаимодейстия слоев УКПМ [6].
Нестабильный характер расслаивания наблюдается у соединения с эластичной пленкой М6. Это обусловлено влиянием ряда факторов. Во-первых, материал обладает высокогладкой поверхностью, соответственно со временем, по мере заполнения клеем пор происходит взаимное его перетекание в структуру поверхности субстрата. Во-вторых, при расслаивании происходит значительное растяжение, как эластичного материала (порядка 250%), так и клеевой пленки, что препятствует разрушению клеевого соединения и увеличивает его жизнеспособность. Пленочный материал обладает большей эластичностью, чем УКПМ - различие в величине растяжения при расслаивании составляет от 1,5 до 5 см уже в начальной стадии испытания. Характер расслаивания зависит от степени растяжимости клеевого соединения. Усилие направляется в основном не на расслаивание образца, а на его растяжение. При большом растяжении отслаивание происходит дискретно. При этом сила затрачивается на расслаива-
ние структуры клеевого материала. Об этом свидетельствует когезионный характер разрушения клеевого материала.
Исследуемые нетканые материалы адгезионно неактивные - среднее значение сопротивления расслаиванию находится в пределах 1,4.3,8 Н/см (рис. 1, 2). С течением времени их Ср увеличивается в 2...3 раза, но при этом конечная величина остается на невысоком уровне (4 Н/см), однако достаточном для надежной эксплуатации изделий. Как уже отмечено ранее, невысокие значения Ср обусловлены, прежде всего, рыхлой, а значит неоднородной рельефной поверхностью. Расслаивание происходит по структуре нетканого материала - при расслаивании УКПМ отделяется от такого материала со слоем волокон. Фильтрующий материал (М3) часто растягивается и обрывается во время расслаивания, этим фактором обусловлены малые значения Ср. Наличие отделки нетканого материала не влияет на величину Ср (рис. 1, 2). Следовательно, для нетканых материалов, если необходимо обеспечить более высокую прочность швов, следует проектировать комбинированные - ниточно-клеевые методы соединения.
За последующий исследуемый период (11-27 суток) не наблюдается рост Ср.
Таким образом, структура поверхности защитного материала - важный фактор формирования прочного адгезионного соединения. В зависимости от шероховатости поверхности материалов после образования клеевого соединения время его существования до достижения наибольшей прочности составляет обычно максимально 200 часов [5]. Для материалов с условно гладкой поверхностью уже после 24.48 ч достигается высокое значение адгезионной прочности. При этом толщина клеевого слоя пленки также имеет значение. По результатам проведенных исследований можно предположить, что, чем она больше, тем больше адгезионная прочность для материалов с высоко шероховатой поверхностью.
Разработанный клеевой материал позволяет получить достаточно прочные клеевые соединения с различными по структуре и химическому составу специальными текстильными и пленочными материалами. Со временем, пока готовое изделие будет храниться, прочность клеевых швов однозначно будет увеличиваться. В течение первых 10 суток наблюдается значительное увеличение Ср для клеевых соединений всех материалов с УКПМ, т. к. заполнение клеем микровпадин поверхности материалов-субстратов благодаря вязкотекучему состоянию его клеевого слоя способствует увеличению площади адгезионного контакта.
Таким образом, максимальный период времени существования клеевых соединений, который необ-
ходим для достижения более высокой адгезионной прочности - 10 дней. Наиболее прочные соединения образуют пленочные материалы М6, М7 и материал с пленочным покрытием М1. Исследования показали, что адгезионная прочность клеевых соединений различных материалов для изготовления бытовой и специальной одежды с применением универсального клеевого пленочного материала зависит от нескольких факторов:
- поверхностной структуры материала;
- от химического состава материала;
- от времени существования клеевого соединения.
Выводы
На основе полученных экспериментальных данных адгезионной прочности клеевых соединений различных материалов для изготовления бытовой и специальной одежды с применением универсального клеевого пленочного материала можно сделать вывод, что материалы с более гладкой поверхностью образуют более прочные соединения. Полии-мидная пленка (М7) имеет наиболее гладкую структуру поверхности. Этим объясняется быстрое достижение высоких значений сопротивления расслаиванию в течение 1-2 суток и достижение максимальных его значений в последующем.
Адгезионная прочность клеевых соединений всех без исключений материалов с применением универсального клеевого пленочного материала повышается со временем (через 10 дней) в 1,75____3,1 раза, обеспечивая получение прочных клеевых швов.
Литература
1. Метелева, О.В. Теоретическое обоснование эффективного применения химических материалов при изготовлении защитных швейных изделий / О.В. Метелева // Изв. вузов. Технология текстильной пром-сти. - 2013. -Том 346. - № 4. - С. 109-113.
2. Пат. Российская Федерация 2506296 (2014).
3. Демидов, С. PFAFF Industrie Maschinen AG. Сварка как шаг в будущее /Сергей Демидов // Швейная промышленность. - 2006. - № 1, январь-февраль. - С. 11.
4. SportTex. Текстильная компания. Оборудование и ткани. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// sporttex.ru.
5. Сурикова М.В., Метелева О.В., Коваленко Е.И. Соединение защитных материалов при использовании са-моклеющегося пленочного материала // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2013. - № 5 (347). - С. 101-104.
6. Метелева, О.В. Теоретико-технологическая разработка процессов герметизации швейных изделий для повышения водозащитных свойств: дис. докт. техн. наук: : защищена 11.10.2007 / Метелева Ольга Викторовна. -Иваново, 2007. - 352 с.
© О. В. Метелева - д.т.н., профессор, зав. каф. технологии швейных изделий, Текстильный институт Ивановского государственного политехнического университета, [email protected]; М. В. Сурикова, к.т.н., доцент той же кафедры, [email protected]; С. В. Леппяковская - аспирант той же кафедры.
© O. V. Meteleva, doctor of technical Sciences, professor, head of Department of technology of garments, Textile Institute, The Ivanovo State Polytechnical University, [email protected]; M. V. Surikova - candidate of technical Sciences, associate Professor of the Department of technology of garments, Textile Institute, The Ivanovo State Polytechnical University, [email protected]; S. V. Leppyakovskaya - graduate student of the Department of technology of garments, Textile Institute, The Ivanovo State Polytechnical University.
