CC BY
195
УДК 687.023:678.7 О. В. Вишневская
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ТЕКСТИЛЬ
Ключевые слова: нанотехнологии, покрытие, текстиль, полимер, каландр, экструзия.
Различные методы нанесения покрытия на текстиль позволяют создавать многофункциональные материалы с покрытиями, которые применяются в различных сферах деятельности человека: от отделки дома (линолеум, обои) до тентов для хранения воздушной техники и создания архитектурных куполов. В работе описаны современные технологии нанесения покрытий на текстиль, используемых в текстильной промышленности и дальнейшее применение полученных материалов.
Keywords: nanotechnology, coating, textile, polymer, calendering, extrusion.
Different methods of coating the fabric allow the creation of multifunctional materials with coatings, which are applied in various spheres of human activity: from finishing house (linoleum, wallpaper) to the tents for the storage of air equipment and the creation of architectural domes. The paper describes modern technologies for textile coating, used in the textile industry and the further application of these materials.
Анализ современных исследований о масштабности и причинности значительного прогресса в области изучения и применения нанотехнологий и наноматериалов показал, что человек всегда окружал себя нанообъектами, сам являясь живым нанообъектом, создавал своими руками нанообъекты. Однако широко заговорили о нанотехнологиях 20 - 25 лет назад в развитых странах, а в России 5-10 лет назад [1].
Благодаря нанотехнологиям на сегодняшний день проектируются и производятся дорогостоящие продукты, охватывающие почти все сферы деятельности человека. В работе [1], профессор В.Е.Крический оценил мировой рынок нанопродукции в 1,1 триллион долларов, между тем мировой рынок «умного» нанотекстиля составляет 1,13 млрд. долларов.
Современное и актуальное использование нанотехнологий в текстильной промышленности связано с ламинированием тканей нановолоконной матрицей, микропористым покрытием;
использованием «умных» материалов, которые способны под воздействием внешней среды изменять свои физические и механические свойства; а также с текстильтроникой, в которой текстиль способен анализировать, чувствовать и по программе выполнять многочисленные функции для обеспечения пользователю комфортных условий в нормальных и экстремальных условиях [2].
Нанесение покрытия является важной технологией для повышения
многофункциональности и ценности тканей.
Технология нанесения покрытия представляет собой процесс, в котором полимерный слой наносят непосредственно на одну или обе поверхности ткани. Полимерное покрытие должно равномерно приклеиваться к текстилю, толщину вязкого полимера контролирует нож или аналогичное отверстие. Ткань с нанесенным покрытием нагревают, после чего полимер застывает (полимеризуется) [3,4]. Важно понимать, что композиция полимера для покрытия может быть дополнена в зависимости от природы полимера, химическими добавками, связанными с конечным
использованием продукта. Для композиции используют такие полимеры, как полиуретан (ПУ), поливинилхлорид (ПВХ), поливинилденхлорид (ПВДХ), полимметриметакрилат (ПММА), этиленвинил ацетат (ЭВА), полиолефины, полипропилен (ПП), СВМПЭ, силикон, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и другие (рис. 1). В состав композиции могут входить УФ- и термостабилизаторы, наполнители для улучшения механических свойств, антиоксиданты, пигменты и другие вещества, позволяющие придавать конечному продукту дополнительные свойства [5,6].
Рис. 1 - Структурные формулы некоторых полимеров, используемых для создания покрытий на тканях
Используют технологию покрытия в основном для нанесения беспористых пленок (мембран). Существуют различные виды нанесения покрытий, таких как [7]:
- шаберный способ покрытия;
- нанесение вспененного покрытия;
- переводное покрытие;
- каландрированное покрытие;
- экструзионное покрытие горячим расплавом.
Нанесение покрытий с помощью шаберного
способа основано на удалении с поверхности ткани избытка полимерной массы при помощи шабера (ножа). Перед ножевым устройством полимерная масса в избытке наносится на полотно, проходящее через валиковую систему или через ванну с покровной смесью. При использовании шаберных систем осуществляются такие основные процессы, как выравнивание (разравнивание) покрытия, частичное вдавливание покровной массы в капиллярно-пористую структуру ткани, удаление избытка покровной массы с поверхности материала. Данный способ используется обычно для достаточно плотной ткани [8], например, для изготовления тентов, ткани для автомобильных сидений, защитной одежды. Недостатком данного метода является возможность образования полос на поверхности покрытия. Они возникают вследствие появления в зоне контакта шабера с поверхностью ткани вырванных из нее крупных волоконец, образующих локальные скопления [9].
В работах [10-12] нанесение покрытия роликовым ножом включает передачу избыточного количества покрывающей жидкости на непрерывно движущийся рулон и регулировку избыточного количества в направлении ширины до необходимого количества для сцепления роликовым ножом, закрепленным специальным элементом для удержания роликового ножа. Недостаточное прилегание ножей [11,12] приводит к неэффективному регулированию толщины покрытия.
Для нанесения вспененного покрытия используется тканый и трикотажный текстиль. В связи с достаточно развитой поверхностью тканой (вязанной) основы, прямое нанесение невозможно из-за неровной поверхности материала. Данный способ основан на погружении готового изделия в раствор коагулянта, далее изделие вынимают и погружают в раствор вспененного полимера, промывают и нагревают до температуры вулканизации. Этот метод широко используется для изготовления защитных перчаток, напольных и настенных покрытий [13-15].
Принцип переводного покрытия заключается в том, чтобы сначала нанести покрытие на бумагу для формирования пленки, а затем растворить эту пленку на ткани [16]. Сшивка происходит за счет нагревания и ламинирования полимерного слоя. Этот метод используется для придания мебели определенных свойств с помощью покрытия, так же таким образом изготавливаются чехлы для матрасов и обивка для автомобильных кресел. Также данный способ используется для нанесения ковровых покрытий.
В работах [17-19] переводное покрытие используется для создания защитных покрытий 3D субстратов [17,18], где используется кремниевая подложка; термопластиков или гибких полотен [19] с использованием теплопередающей ленты с микротонким покрытием из микрокристаллической
целлюлозы с минеральными частицами типа силана, ламинированные термореактивной смолой.
Каландрирование - процесс формования и обработки полимеров на специальных агрегатах, главной частью которых является каландр [20]. Переработка полимерных композиций на каландрах осуществляется путем непрерывного пропускания материала через зазор между парами валков. Число валков может быть различным. Каландры могут использоваться для формования тонкого полимерного изделия (пленки); нанесения слоя полимерной композиции (покрытия) на основу; дублирования сформированных полимерных пленок, листов и покрытий [21]; промазывания основы полимерным связующим. Процесс каландрирования дает возможность получать ровное покрытие в диапазоне от около 0,1 до 1,5 мм. Верхний предел ограничен образованием волдырей на ткани с покрытием из-за захвата воздуха в прокатном баке. Для получения более низкой толщины, требуется высокая нагрузка на каландр; кроме того, при меньшей толщине происходит образование пустот, однако скорость этого способа нанесения покрытия достаточно высокая [22-24]. Недостатком данной технологии также является каландровый эффект [20].
В работе [25] представлена простая механическая установка создания Nip- покрытия (рис. 2), которое наносится на нижнем зажиме каландра. Метод пригоден для тяжелых условий пропитки. Степень проникновения зависит от зазора в зоне контакта и коэффициента трения.
2
1
3
Рис. 2 - Механическая установка нанесения Nip-покрытий: 1 - ткань, 2 - полимерная композиция, 3 - ткань с покрытием [25, С. 545]
Экструзионное покрытие горячим расплавом используется для термопластичных полимеров, таких как ПУ, полиолефины и ПВХ, которые наносятся путем подачи гранул материала в зазор между подвижными термовалками, гранулы плавятся за счет высокой температуры и сдвиговых усилий на валке. Полученная пленка прессуется на тканевую подложку на дублирующих валках, возможно нанесение адгезива на ткань. Есть две основных используемых конструкции: машина Zimmer (рис. 3 а), которая имеет два плавящих валка и машина Бема (рис. 3б), которая имеет три [26,27]. Они являются уменьшенной версией каландров, но отличаются тем, что нуждаются в ткани (или бумаге или пленке) в качестве субстрата, на котором осаждается пленка. Этот процесс используется для получения легких весовых покрытий или брезента.
1,2,3 - плавящие валки; валок предварительного нагрева подложки; 5 - валок для съема; 6 - валок для гладкой отделки или теснения; 7 - охлаждающий валок; 8 -резательный валок
б) ^
1 - подвижный плавящий валок; 2 - неподвижный плавящий валок; 3 - валок для съема, покрытый силиконом; 4 - валок для гладкой отделки и тиснения; 6 -охлаждающие валки
Рис. 3 - Машины для нанесения покрытий: а -Bema; б - Zimmer [28, С. 83-84]
Преимуществами этого процесса являются: непосредственное преобразование гранул в осажденную пленку, возможность внесения быстрых изменений в ходе процесса и использование для выпуска небольших партий [28].
Различные методы нанесения покрытий дают мощный инструмент для продвижения текстильной технологии. Данные технологии, каждая из которых хороша по-своему, позволяют создавать специальные ткани, такие как тенты, брезенты, обои, линолеум, одежду для активного отдыха и защиты от повышенных температур, одежду для рыбалки и охоты, спецодежду для людей, работающих в суровых климатических условий, для обивки автомобильного салона, чехлов матрасов для больниц и множество других, которые прочно вошли в жизнь людей и делают ее более комфортной.
Литература
1. Кричевский Г.Е. Нано-, био-, химические технологии в производстве нового поколения волокон, текстиля и одежды. Издание первое. - М.: 2011. - С.528.
2. Милютина Г.Р., Черунова И.В. К вопросу о развитии наноструктурных материалов для безопасности жизнедеятельности/ VI Международная студенческая электронная научная конференция "Студенческий научный форум 2014".
3. Weijun, Y.L., Fai, M., John, X., Leung, T., Kam, L.D., and Pei, L., 2005, Novel Core -shell particles with poly (n-butyl acrylate) cores & chitosan shells as an antibacterial coating for textiles, Polymer, 46, 10538-10543.
4. Matejmicusik, T., Igor, M., Katarina, F., and Mohamed, 2007, Conductive polymer coated textiles: The role of fabric treatment by pyrrole-functionalised triethoxySilane., 157, 914-923.
5. Bidoki, S.M., and Wittlinger, R., 2010, Environmental and economical acceptance of polyvinyl chloride (PVC) coating agents., Journal of Cleaner Production, 18(3), 219-225.
6. Mondal. S., 2008, Phase change materials for smart textiles-An overview., Applied Thermal Engineering, 28(11-12), 1536-1550.
7. Singha К. A Review on Coating & Lamination in Textiles: Processes and Applications/ К. Singha/American Journal of Polymer Science. 2012. №2(3). Р. 39-49.
8. Chang, H.Y., Tzeng, W.J., Lin, C.H., and Cheng, S.Y., 2011, Ionic compounds lamination reaction and characteristics of photosensitive copper indium sulfide on titania nanotube ar-rays., Journal of Alloys and Compounds, 509, 35(1), 8700-8706.
9. Нанесение покрытий и пропитка бумаги [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ief-usfeu. ru/images/Images_users/V urasko /261700.68/%D0%A2%D0%9E%D0%B8%D0%9F%D0%9 1 %D0%B 8%D0%9A/2. 2_Nanesenie_pokritii_i_propitka_b umagi.pdf.
10. Patent US 20130129925 A1. Roll blade coating method and roll blade coating apparatus / Shuji Hanai, Satoshi Nakazawa, Nobuyuki Nagasawa, Tetsuya Hara; Shuji Hanai, Satoshi Nakazawa, Nobuyuki Nagasawa, Tetsuya Hara. - stated 04.08.2011; pub. 23.05.2013.
11. Patent US 5068133 A. Process for producing heat-sensitive recording material using roll blade coating / Matsumoto H., Takami M.; Mitsubishi Paper Mills, Limited. - stated 25.10.1988; pub. 26.11.1991.
12. Patent US 9248054 B2. Methods and apparatus for making elastic laminates / Darrell Ian Brown, John Andrew Strasemeier; The Procter & Gamble Company. - stated 27.11.2012; pub. 02.02.2016.
13. Nakamura, M., Yang, C., Tajima, K., and Hashimoto, K., 2009, High-performance polymer photovoltaic devices with inverted structure prepared by thermal lamination., Solar Energy Materials and Solar Cells, 93(9), 1681-1684.
14. Patent US 20020076503 A1. Clothing article such as a working or protective glove made from a textile support / Patrick Borreani, Pierre Vaille; Patrick Borreani, Pierre Vaille. - stated 09.07.1998; pub. 20.06.2002.
15. Patent US 8137606 B2. Lightweight thin flexible polymer coated glove and a method therefor / Eric Thompson, Dave Narasimhan, Jeffrey C. Moreland, Hafsah Mohd Ghazaly; Ansell Healthcare Products Llc. - stated 25.08.2010; pub. 20.03.2012.
16. Fern, N., Alam, P., Touaiti, F., and Toivakka, M., 2012, Fatigue life predictions of porous composite paper coating., International Journal of Fatigue, 38, 181-187.
17. Patent US 20090042320 A1. Methods for liquid transfer coating of three-dimensional substrates / David Xuan-Qi Wang, Mehrdad M. Moslehi, Somnath Nag; Solexel, Inc. -stated 18.08.2008; pub. 12.02.2009.
18. Patent US 8512581 B2. Methods for liquid transfer coating of three-dimensional substrates / David Xuan-Qi Wang, Mehrdad M. Moslehi, Somnath Nag; Solexel, Inc. - stated 18.08.2008; pub. 20.08.2013.
19. Patent US CA 1250191 A2. Transfer coating of abrasion-resistant layers / Israel S. Ungar, Herbert I. Scher, Nelson L. O'neill; Israel S. Ungar, Herbert I. Scher, Nelson L. O'neill, Nevamar Corporation. - stated 21.01.1988; pub. 21.02.1989.
20. Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Вишневская О.В., Вишневский ВВ., Осипов Н.В., Шараев Ю.В. Технология каландрования полимеров для изготовления тканей с мембранным покрытием// Вестник Казанского технологического университета. 2014. N 13.С 102-109.
21. Патент РФ 2394956. Способ получения защитного гидрофобного и олеофобного покрытия на текстильном материале/ А.М. Музафаров, О.А. Серенко, А.М. Мышковский, Л.Н. Никитин, Л.М. Полухина, Н.В.
Евсюкова; Учреждение Российской академии наук Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН (ИСПМ РАН). - заявл. 09.12.2008; опубл. 20.07.2010.
22. Mass, L.I., Ed.. Encyclopedia of PVC. rod. 3. Marcel Dekker, New York. 1977.
23. Timm W.V.. PVC Mastics. Elsevier Applied Science. London: New York. 1990.
24. Ashish Kumar Sen. Coated Textiles: Principles and Applications, Second Edition. - 2007. - 264 p. ISBN: 1420053450.
25. Titow W.V. PVC Polymers. - Springer Netherlands, 1990. - 53-101 р. ISBN: 978-1-85166-471-9.
26. Reid, R.G., and Paskaramoorthy, R., 2011, An extension to classical lamination theory for use with functionally graded plates., Composite Structures, 93(2), 639-648.
27. Patent US 3402086 A. Hot-melt extrusion coating process / Donald J Endsley, William F Smith; Dow Chemical Co. -stated 05.06.1964; pub. 17.09.1968.
28. Мартин Дж., Смит В. Производство и применение резинотехнических изделий. - 2016. - 480 с. ISBN: 593913-089-5.
© О. В. Вишневская - аспирант кафедры ПНТВМ КНИТУ, [email protected].
© O. V. Vishnevskaya, postgraduate student the department PNTMC KNRTU, [email protected].
