CC BY
140
УДК 687.023:678.7
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ОДЕЖДЫ ДЛЯ ТУРИЗМА И АКТИВНОГО ОТДЫХА
Метелёва Ольга Викторовна, доктор технических наук, профессор зав. кафедрой технологии швейных изделий, olmet07@ya.ru,
Покровская Екатерина Павловна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии швейных изделий, epokrovskaja@mail.ru,
ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия»,
г. Иваново
NEW INCREASE TECHNOLOGY FOR TOURIST AND ACTIVITIES CLOTHES
PROTECTIVE CHARACTERISTICS
Meteleva O.V., Pokrovskaya E.P.
Современные материалы, используемые при производстве одежды для отдыха и туризма, имеют высокие защитные свойства, но либо не имеют защиты в области швов, либо обеспечение их защиты осуществляют с помощью дорогостоящих импортных материалов и оборудования. В работе представлена новая технология, основанная на приклеивании разработанных пленочных самоклеящихся материалов одновременно со стачиванием. Герметизация не требует необходимости активации материала, кроме воздействия давления. Установлены режимы герметизации и исследован механизм образования герметичного клеевого соединения.
Ключевые слова: герметизация, плёночный самоклеящийся материал.
Today’s materials used in tourist and activities clothes production have high protective characteristics. However they either have no protection in the stitch area or their protection is provided by expensive imported materials and equipment. The article gives a new technology based on glueing the elaborate film self-adhesive materials together with seaming. Sealing does not require the necessity of material activation except pressure impact. The authors set the sealing modes and studied the mechanism of tight glue joint formation.
Key words: sealing, film self-adhesive material.
В настоящее время популярность у жителей города приобрела спортивная одежда, одежда для оздоровительного отдыха и туризма. Главные задачи такой одежды - защита от внешних воздействий (дождя, ветра, снега, грязи), сохранение тепла и, конечно, свободы движения и комфорта. Она включает в себя, как правило, куртку и брюки или полукомбинезон. Для её изготовления в качестве материала верха используют легкие и тонкие ткани с плёночным покрытием.
Совмещение водозащитных свойств со свойствами атмоактивности осуществлено при разработке многофункциональных тканей - водозащитных дышащих ламинатов [1]. Предотвращение взаимодействия молекул воды с гидрофильными группами
волокнообразующих полимеров возможно за счет образования микропористого покрытия. Такое покрытие обеспечивает материалу пото- и паропроницаемость. В определенной степени решают эту проблему мембраны, которые не пропускают влагу внутрь, но выпускают ее наружу. Мембрана - это либо тончайшая плёнка, которая ламинирована (приварена или приклеена по особой технологии) к ткани, либо специальная пропитка, жестко нанесенная на ткань горячим способом. С внутренней стороны мембрана может быть защищена еще одним слоем ткани. С внешней стороны материал водонепроницаем, но при разнице в парциальном давлении водяных паров под одеждой и снаружи испарения тела выводятся наружу. Таким образом, использование новых полимерных композиций и совершенствование составов покрытий привело к созданию материалов, обладающих не только высокими защитными, но и улучшенными эксплуатационными и гигиеническими свойствами, что способствует организации производства качественных и комфортных изделий для туризма и активного отдыха.
Повышение защитных свойств одежды для туризма, помимо применения специальных материалов, достигается за счет многослойности пакета одежды и использования большого количества защитных элементов. Это приводит к повышению трудоемкости изготовления, увеличению материалоемкости, оставляя при этом, как правило, незащищенными от воды и других погодных факторов места соединения деталей швейных изделий.
В процессе изготовления швейных изделий из водонепроницаемых материалов обязательна герметизация швов. Герметичность швов - это не единственная, но существенная характеристика, определяющая условия и срок эксплуатации защитной одежды. Требования, предъявляемые к герметизированным швам, следующие:
- водонепроницаемость не ниже водонепроницаемости материала, из которого изготовлено изделие;
- эластичность и прочность, позволяющие им деформироваться без разрушения при эксплуатации;
- атмосферо-, тепло-, морозостойкость герметиков;
- сохранение герметичности после действия стирки или химчистки.
В настоящее время наиболее известна технология герметизации ниточных швов приклеиванием одно- или многослойной термопластичной клеевой ленты на поверхность изделия посредством расплавления ее клеевого слоя струей горячего воздуха и последующего соединения с помощью прижимных роликов. Для осуществления этой
технологии фирмами «Пфафф» (Германия) [2] и «Kouuci Enterprise Co., LTD» (Китай) [3] созданы машины для герметизации уже выполненных швов и застежек-молний. Фирма «Kouuci Enterprise Co., LTD» производит десять видов специальной ленты для герметизации швов. Каждый вид ленты рассчитан на свои условия применения и эксплуатации. В рекламном проспекте фирмы отмечено, что качество герметизации зависит от стабильности параметров работы машины и системы их регулирования. При изменении, например, скорости подачи, надо изменять давление на ленту, температуру струи горячего воздуха. Достаточно небольшого колебания температуры в рабочей зоне, и результат уже будет некачественным. Варианты оборудования отличаются конфигурацией рабочего органа (рукава), областью применения, способом подачи ленты. Диапазон цены на машины фирмы «Kouuci Enterprise Co., LTD» изменяется в пределах 6000-12000 долларов США [3].
Повышение эффективности процесса герметизации является актуальной задачей промышленного изготовления изделий из материалов с плёночным мембранным покрытием. Для специалистов она конкретизируется как разработка специального герметизирующего материала и способа его фиксирования. При этом необходимо не только повысить эффективность изготовления изделий, но и обеспечить экологическую безопасность и безвредность производства. Герметизирующие материалы должны полностью блокировать ниточную строчку - отверстия от проколов иглой и воздушные зазоры между соединяемыми материалами, - обеспечивая непроницаемость для
воздействия воды и надежность швов в процессе эксплуатации.
Максимально удовлетворять технологическим и экономическим требованиям производства изделий из водонепроницаемых материалов может герметик в виде протяженной водонепроницаемой ленты фиксированной ширины, обладающей адгезионной способностью к широкому спектру субстратов (термореактивных и термопластичных) без необходимости теплового или химического активирования. Адгезионная способность без дополнительного активирования может быть обеспечена постоянной остаточной липкостью герметизирующего материала.
Сущность новой технологии герметизации [4, 5] в этом случае заключается в установлении адгезии между клеевым герметизирующим материалом (адгезивом) и основой или полимерным покрытием водонепроницаемого материала (субстратом) в результате воздействия механического усилия перпендикулярно к склеиваемым материалам в течение промежутка времени, соизмеримого со скоростью образования ниточного соединения [6] (рисунок 1).
толщина,
ширина
пленки
герметик 3 приклеивание
а)
стачивание
XV герметизирущего ^ материала
П, об/мин
Водоупорность
последовательно-
одновременно
Прочность клеевого
соединения
последовательно-
одновременно
Водоунорносгь после действия агрессивных
факторов
б)
стачивание
толщина
ширина
приклеивание % герметизирущего *■" материала герметик
пленки + Р I I Т
Рисунок 1 - Схемы осуществления концентрированной операции стачивания и клеевой внешней или внутренней герметизации: а) поверхностная лицевая герметизация; б) поверхностная изнаночная герметизация
Герметизирующий пленочный материал, имеющий многослойную структуру, разработан в ИГТА совместно с ФГУП «ИвНИИПИК» ФСБ России и выпускается в настоящее время партиями по заказам на опытно-промышленном оборудовании отдела экспериментальных установок.
На основе предварительных экспериментальных исследований различных способов герметизации сделан вывод, что наиболее простой в исполнении и наиболее эффективной является поверхностная герметизация. Поскольку при изготовлении водозащитных изделий из материалов с полимерными покрытиями для соединения деталей в основном используются накладные и настрочные швы, внешняя или внутренняя поверхностная герметизация обеспечивает необходимый уровень качества изделия.
К параметрам технологии относятся параметры стачивания и параметры склеивания. Для поверхностной герметизации параметры стачивания не влияют на качество герметизированных швов, за исключением ширины швов, которые определяют ширину герметизирующего материала. При этом способе герметизации процесс образования клеевого соединения и качество герметизированных швов не зависят от количества отверстий от проколов иглой, их размеров, вида швейных ниток и конструкции соединения. Таким образом, независимо от условий герметизации количество стежков в строчке, вид и толщина иглы и ниток будут определяться только требованиями к ниточным соединениям и свойствами соединяемых материалов.
Адгезионная прочность герметичного клеевого соединения является основным свойством, от которого зависят его уровень водоупорности и долговечность. Получение клеевого соединения с высокими значениями адгезионной прочности обеспечит высокий уровень водонепроницаемости швов и их надежность.
Формирование площади контакта зависит от процессов заполнения клеем неровностей поверхности субстрата. Смачивание играет важную роль при формировании адгезионного соединения. С уменьшением краевого угла, т. е. с увеличением смачивания, увеличивается площадь фактического контакта между клеем и адгезивом. С увеличением смачиваемости адгезивом субстрата (по мере снижения краевого угла) происходит рост адгезионного взаимодействия.
Адгезия плёнок, прежде всего, зависит от того, насколько поверхность пленки копирует твердую поверхность. Клеевой слой герметизирующей пленки находится в высокоэластическом состоянии, но он обладает высокой вязкостью и в результате ограниченной способностью смачивания и заполнения шероховатостей водозащитного гидрофобного материала. Снижению сопротивления расслаиванию способствует также загрязненность поверхности водозащитного материала. При наличии относительно гладкой поверхности достигается более полный контакт клеевого слоя с водозащитным материалом.
Условия транспортирования материалов при выполнении швов влияют на плотность контакта герметизирующей пленки с поверхностью материала и качество образуемого клеевого соединения. Режимы герметизации, обычно учитываемые при формировании клеевых соединений (механическое нормальное давление в зоне контакта герметика и основного материала или усилие сжатия соединяемых материалов, продолжительность воздействия давления), тесно связаны с режимами стачивания, поскольку процесс образования стежков и приклеивание пленки на шов осуществляются в одной концентрированной операции. Исходя из этого, ориентиром при выборе интервалов исследуемых параметров служили усилие и продолжительность контакта механизма продвижения с пакетом материалов при образовании стежка.
Кроме того, предварительные исследования показали, что на адгезионную прочность клеевых соединений оказывает влияние толщина клеевого слоя герметизирующего материала и ширина пленки. Для оценки возможности осуществления параллельной со стачиванием герметизации и зависимости адгезионной прочности от условий формирования соединения были проведены экспериментальные исследования
клеевых соединений материала с пленочным полиуретановым покрытием и разработанной клеевой пленки.
Выполнены математическая обработка результатов экспериментальных исследований и оценка адекватности полученной модели для целей прогнозирования адгезионной прочности (сопротивления расслаиванию) клеевых соединений в зависимости от параметров склеивания. На основании результатов проведенных исследований разработана трехфакторная модель прогнозирования сопротивления расслаиванию в зависимости от толщины клеевого слоя (к), удельного давления (р) и продолжительности контакта (т):
= -8,458 + 96,053к - 208,533к2 + 0,017г + 0,0029р, (1)
где У - сопротивление расслаиванию, н/см; к (х^ - толщина клеевого слоя пленки, мм; т (х2) - продолжительность склеивания, с; р (х3) - удельное давление в зоне контакта, кПа.
Общее качество уравнения регрессии высокое, так как множественный коэффициент детерминации (квадрат коэффициента множественной корреляции) Я2= 0,9904 > 0,7. .Ррасч. = 53,3596 > ^0,95(43, 40) = 1,67. Все коэффициенты уравнения значимы, так как они больше своих стандартных отклонений: 7(х^ = 4,5696 > ^0,95 (43) = 2,0; ^(х2) = 3,1664 > ^0,95 (43) = 2,0; ^(х3) = 27,4936 > ^0,95 (43) = 2,0. Средняя ошибка аппроксимации е = 2,0031 %. Вариация результативного признака обусловлена влиянием включенных в регрессионную модель факторов.
Анализируя полученную модель, можно отметить, что толщина клеевого слоя является основным влияющим фактором. Давление и время контакта малозначимы, о чем свидетельствует небольшая разница между коэффициентами регрессионного уравнения при этих факторах и стандартными отклонениями этих коэффициентов, т. е. при увеличении давления и времени не происходит значительного роста сопротивления расслаиванию. Зависимости сопротивления расслаиванию соединений от толщины клеевой пленки при разных режимах склеивания имеют экстремальный вид (рисунок 2, 3).
Отличительной особенностью клеев, чувствительных к давлению, является увеличение прочности при увеличении толщины клеевого слоя. По-видимому, большое значение для эластичных адгезивов приобретают процессы деформации клеевого слоя. Чем толще слой адгезива, тем большая часть усилий расслаивания затрачивается на его деформацию. Когда толщина клея превысит размеры зоны деформации, увеличение толщины перестает оказывать влияние на работу разрушения [7].
Рисунок 2 - Влияние давления прижима на адгезионную прочность клеевого соединения
Рисунок 3 - Влияние времени контакта на адгезионную прочность клеевого соединения
Максимальной прочностью при расслаивании обладают соединения, полученные с клеевой плёнкой, имеющей двухстороннее покрытие клеем, толщиной 0,2-0,25 мм. Такая толщина клеевой пленки необходима для формирования адгезионного контакта с двумя склеиваемыми между собой материалами (рисунок 4).
Рисунок 4 - Схема исследуемого клеевого соединения
Для поверхностной герметизации, вероятно, оптимальной является толщина клеевого слоя 0,1-0,125 мм. Эти предположения согласуются с результатами эксперимента по оценке влияния толщины клеевого слоя на прочность при отслаивании клеевого материала, чувствительного к давлению [8]. При толщине клеевого слоя менее
0,1 мм возможно появление дефектов плёнки при ее формировании. При этом увеличение
толщины неклеевого слоя нежелательно, т.к. приводит к большей длительности процесса сушки пленки при ее производстве и вероятности ее деформирования, а значит, появлению напряжений.
При малой толщине прочность клеевого слоя незначительна, что влияет на адгезионную прочность соединений. Уменьшение прочности соединения при толщине клеевого слоя более 0,125 мм объясняется большей степенью ориентации макромолекул в тонких клеевых слоях (поскольку интенсивность поверхностных сил обратно пропорциональна расстоянию от поверхности, и самая высокая ориентация макромолекул имеет место на поверхности раздела, а самая низкая - в середине шва), а также ограничением развития пластических деформаций в тонком слое. В тонкой клеевой прослойке возникают меньшие внутренние напряжения при испарении жидкой фазы из клеевого слоя и его усадке, чем в толстой [8].
Воздействие давления необходимо для деформирования слоя адгезива, находящегося в высокоэластическом состоянии, в результате чего обеспечивается сближение поверхностей адгезива и субстрата и достигается максимальная поверхность их соприкосновения. Следствием прикладывания внешнего давления является увеличение площади контакта между адгезивом и субстратом, что оказывает непосредственное влияние на адгезионную прочность. Формирование зоны контакта, т.е. заполнение неровностей субстрата эластичным адгезивом до установления равновесного состояния, происходит в течение определенного времени. Для исследованных клеевых соединений при увеличении давления в зоне контакта и времени контакта изменение значений адгезионной прочности находится в пределах доверительного интервала эксперимента.
Для качества герметизации немаловажное значение имеет ширина клеевого материала. Влияние этого фактора особенно проявляется при герметизации криволинейных швов. Для определения совместного влияния толщины и ширины на герметизацию криволинейных швов были проведены экспериментальные исследования, по результатам которых выбраны оптимальные геометрические параметры: толщина и ширина герметизирующего материала, обеспечивающие необходимое качество дублирования криволинейных швов, выполненных практически на экспериментальной установке с использованием герметизирующих материалов различных геометрических параметров.
Анализируя результаты, полученные при оценке качества поверхностной внешней герметизации криволинейных настрочных швов, можно сделать следующие выводы. При толщине герметизирующей пленки 0,1 мм и ширине 10 мм происходит ее разрыв при
подаче в зону герметизации. При толщине герметизирующей пленки 0,1 мм и ширине 15-25 мм при подаче происходит ее удлинение, приводящее к уменьшению толщины и ширины, в результате чего возникают напряжения, приводящие к деформациям пакета шва. При толщине пленки более 0,2 мм наблюдается ощутимое увеличение толщины и жесткости швов. Кроме этого, необоснованное увеличение толщины является причиной уменьшения адгезионной прочности.
Площадь клеевого соединения при поверхностной герметизации оказывает влияние на начальный уровень водоупорности швов и их надежность. Ширина зоны герметизации должна быть такой, чтобы полностью обеспечить защиту мест соединений от проникновения воды. С учетом принятой ширины припусков швов (0,7-1,0 см) ширина пленки не может быть менее 15 мм. При недостаточной ширине герметизирующего материала произойдет быстрая потеря защитных свойств проклеенных швов при эксплуатации. При избыточной ширине пленки герметика возникают дефекты дублирования на криволинейных участках.
Оптимальные геометрические параметры герметизирующего материала выбраны в зависимости от радиуса кривизны соединяемых срезов. При радиусах кривизны соединяемых срезов от 4 до 13 см оптимальная ширина герметизирующего материала составляет 17 мм, при радиусах кривизны более 13 см - 20 мм. Оптимальная толщина герметизирующего материала составляет 0,2 мм, толщина изолирующего неклеевого слоя
- 0,07-0,1 мм и толщина клеевого слоя - 0,1-0,13 мм.
Для возникновения адгезии необходимо создание условий контакта полимеров, при которых начинают проявляться силы межмолекулярного взаимодействия. Величина адгезии зависит не только от наличия, но и от числа связей между контактирующими материалами. В свою очередь, число связей определяется количеством активных функциональных групп в макромолекулах полимеров адгезива и субстрата и площадью фактического контакта между поверхностями адгезива и субстрата. При этом немаловажное значение для установления адгезии имеет соответствие структурных параметров адгезива и поверхности субстрата, имеющей развитый микрорельеф.
Способность адгезива к смачиванию поверхности субстрата на начальном этапе формирования адгезионного соединения оказывает определяющее влияние на качество последнего. Клеевой слой разработанного материала обладает способностью с течением времени растекаться по поверхности субстрата и заполнять микронеровности рельефа волокон и пленочного покрытия. Об этом свидетельствуют фотографии микросрезов и полученные результаты исследования с помощью атомно-силовой микроскопии
микросрезов клеевых соединений материалов с пленочным покрытием при расположении герметизирующей пленки со стороны покрытия ткани (рисунок 5). Исследования проведены с использованием сканирующего зондового микроскопа SPM Р4 MDT. Использован режим атомно-силовой микроскопии: scan - height; step - 12,53 nm; bias - 0,100 V.
Рисунок 5 - Фотографии поверхности пленочного покрытия ткани Saviour (а) и микросреза клеевого соединения с клеевой пленкой (б, в)
Полученные результаты показывают, что давление прикатывающих роликов на соединяемые материалы и частота вращения главного вала машины, оснащенной устройством для последовательно-одновременной герметизации, обеспечивают достижение необходимой адгезионной прочности герметичных соединений.
При выполнении швов с последовательно-одновременной герметизацией отсутствует возможность выполнения закрепок в виде обратных строчек. Но герметизируемые строчки оказываются заклеенными по всей длине, что предотвращает их распускание. Поэтому необходимость в выполнении закрепки при герметизации отпадает.
Таким образом, доказана возможность герметизации швов изделий из материалов с полимерным покрытием клеевой пленкой с липким слоем последовательноодновременным методом в процессе выполнения концентрированной со стачиванием операции «стачивание-герметизация» посредством оснащения швейной машины дополнительным устройством. Методами атомно-силовой микроскопии установлено, что в результате контакта полимеров происходит растекание клея и заполнение им поверхности полимерного покрытия ткани.
Литература
1. Кубеко А. Функциональные ткани в профессиональной одежде // В мире оборудования. 2002. № 2. С. 22-23.
2. Демидов Сергей. PFAFF Industrie Maschinen AG. Сварка как шаг в будущее // Швейная промышленность. 2006. № 1, январь-февраль. С. 11.
3. Вигопод - инфо / Рекламно-информационный бюллетень ООО «СП ВИГОПОД». 2004. № 3 (ноябрь). 8 с.
4. Пат. № 2211264 Российская Федерация, МПК 7 D 05 B 1/26. Способ образования водонепроницаемых ниточных соединений / Е.П. Покровская, О.В. Метелёва, В.В. Веселов, Л.И. Бондаренко; заявитель и патентообладатель Иваноская гос. текст. академия. № 2002120676/12 ; заявл. 29.07.2002; опубл. 27.08.2003, Бюл. № 24. 9 с.
5. Пат. 2171082 Российская Федерация, МКИ 6 D 05 В 1/26. Способ склеивания деталей швейных изделий из текстильных материалов / Е.Е. Бабарина, В.В. Веселов, О.В. Метелёва; заявитель и патентообладатель Иваноская гос. текст. академия. № 99126271; заявл. 14.12.99 ; опубл. 27.07.01. Бюл. 21. 13 с.
6. Метелёва, О.В. Как обеспечить герметичность водозащитных изделий? / О.В. Метелёва, Е.П. Покровская, В.В. Веселов, Л.И. Бондаренко // Технический текстиль. 2003. № 7/июнь. С. 43-44.
7. Самоклеющиеся материалы - современное направление в отрасли переработки пластмасс // Пластические массы. 1999. № 10.
8. Каган Д.Ф. Многослойные комбинированные пленочные материалы / Д.Ф. Каган, В.Е. Гуль, Л.Д. Самарина. М.: Химия, 1989. 288 с.
