Поиск


ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №37

                    ( читать ... )

ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №36

                    ( читать ... )

Ссылки партнеров

Текстильных изделий нового поколения


Технологии/Текстильных изделий нового поколения/Возможности использования многослойных многофункциональных текстильных композитов

Возможности использования многослойных многофункциональных текстильных композитов

29 августа 2005
Технический текстиль №12, 2005

Березненко Николай Петрович
Власенко Виктория Ивановна
Ковтун Светлана Ивановна

Долгое время ткани использовались только для удовлетворения бытовых потребностей человека, и развитие производства текстиля стимулировалось, в основном, ростом народонаселения. С развитием цивилизации и появлением новых технологий текстильные материалы стали использоваться для технических целей. Таким образом, развитие технических текстильных материалов во второй половине прошлого века обусловлено, с одной стороны, новыми возможностями современной техники и технологии в производстве химических волокон, с другой - этому также способствовала потребность в использовании текстильных и волокнистых материалов в разных сферах деятельности человека.

Во всем мире технический текстиль является наиболее динамично развивающейся подотраслью текстильной промышленности. В странах ЕС производство технического текстиля рассматривается как одно из приоритетных инновационных направлений, наравне с информационными технологиями. Развитие технического текстиля поддерживается правительствами за счет уменьшения финансирования на оборону, космос, ядерные программы. Потенциальная ценность функциональных материалов становится все более и более привлекательной для инвестиций. Реализации инновационных проектов в области развития функциональных текстильных материалов вносят свой вклад в повышении конкурентоспособности экономики стран Европы по сравнению с экономикой США и Азиатских стран.

Стремление к разработке текстиля с особенными свойствами явилось стимулом для производства химических нитей, которые имели специфические свойства. Так появились так называемые functional fibers, аdvanced fibers. Соответственно, текстильные материалы из этих нитей также отличаются специфичностью свойств.

К концу прошлого столетия сформировалось производство различных видов технического текстиля со специфическими свойствами. Эти виды текстильных материалов, как показывает их название, выполняют определенную функцию при их использовании, их стали называть также функциональными.

Сегодня на мировом рынке доступны следующие функциональные текстильные материалы: барьерные (против микроорганизмов, химикалий, жидкости, радиации и др.); антистатические или  электропроводящие; антимикробные или бактериостатические; крове- и водоотталкивающие; высокосорбционные и высококапиллярные (изготовленные из ультратонких волокон); дышащие мембраны; phase change materials (PCM); металлические и металлизированные; трехмерные (3D) трикотажные полотна; ламинированные со специфическими отделками.

Тем не менее, пользователи хотят большего: создания многофункциональных текстильных материалов, которые одновременно удовлетворяют множеству требований, часто противоречащих один другому.

Этот спрос послужил стимулом для производителей текстиля. И как показывает анализ научной и патентной литературы, в последнее время во всем мире резко возрос интерес к созданию multifunctional textiles.

Простейшие способы получения многофункциональных текстилей (смешение волокон, модификация нитей, модификация строения и поверхности текстильных полотен) не могут дать желаемых результатов. Более широкие возможности при производстве товаров с высокими потребительскими свойствами лежат в переходе к сложным слоистым композиционным текстильным структурам. Такие структуры содержат в необходимом, заданном порядке различные функциональные слои. Эти разработки в последние пять лет во всем мире являются приоритетными и непосредственно связаны с созданием так называемого intelligence textiles или smart textiles.

Учитывая огромное разнообразие современных advanced textiles можно предположить, что способ соединения отдельных текстильных материалов в одну структуру дает возможность изменять, варьировать технические свойства композитов в широких пределах. Научный и производственный интерес в этой области объясняется потенциальными возможностями создания текстильных композитов с дополнительными качествами, в которых сочетаются самые разнообразные свойства и функции.

Преимущества таких материалов состоят в относительной простоте соединения слоев в сложные структуры; большом разнообразии свойств соединяемых текстилей; возможности варьировать свойства в широких пределах; возможности создания многофункциональности на поверхности и в объеме; прогнозируемости с большой вероятностью свойств композита; управляемой анизотропии свойств.

Многообразие свойств современных волокнистых материалов, текстиля, пленочных материалов и технологий их получения, в принципе, позволяют осуществить самые смелые фантазии. Свойства полученных композитов будут зависеть от вида текстильного материала (химического состава, структурных характеристик используемых волокон, строения тканей и др.); физических и химических свойств слоев; толщины и объема слоев; объема воздуха в системе, особенно во внутреннем пространстве; порядка взаимного расположения слоев в структуре; технологии соединения.

Многослойные текстильные композиции можно рассматривать в определенной мере как революционный продукт (обладающий высокими технико-эксплуатационными свойствами, новыми функциями, добавленными качествами, экологичностью и рыночной ликвидностью) разработка которого требует использования новых материалов (структурных и функциональных)  на основе новых технологических процессов, реализация которых требует проведения исследовательских работ.

Как и любой продукт инженерной мысли, многослойный композиционный материал определенного целевого назначения в своей основе должен иметь «собственную идею» и выполнять возложенные на него функции. Соответственно программа функционирования многослойного композита закодирована в его структуре. Именно поэтому так важен концептуальный подход к «сборке» многофункциональных текстильных композитов.

Порядок проектирования многофункциональных текстильных материалов для разных областей использования может быть представлен следующим алгоритмом:

1. Определение условий эксплуатации композиционного материала и его функций.

2. Анализ требований к свойствам материалов (имеющихся на рынке или разработка новых текстильных материалов), которые могут быть использованы в композите.

3. Выбор и исследование свойств advanced textiles, которые удовлетворяют заданным требованиям.

4. Выбор соединительного материала и технологии его использования.

5. Проведение НИОКР.

6. Оптимизация конструкции и свойств текстильного композита с учетом основных функций создаваемого материала и результатов НИОКР.

Ключ для перехода от эмпирического построения модели функционирования многослойного текстильного композита состоит в разработке программ, которые базируются на принципе многоуровневого моделирования. Представление ком­позита в виде многоуровневой иерархической системы позволяет выявить связи между соседними слоями. Можно моделировать каждый уровень отдельно, однако важно стремиться к учету пограничных явлений. Глубина изучения различных процессов принимается в зависимости от конкретной задачи.

Как один из примеров приведем сведения о SoftWare-пакете Wise-Tex (Katolieke Universities Leuven, Belgium). Этот программный пакет позволяет рассмотреть будущий текстильный материал, как иерархическую структуру и на основе предварительных расчетов внутреннего строения ткани получить знания о геометрических параметрах разрабатываемого продукта (пористости, объемной доле волокон, поверхностной плотности и др.). Текстильные материалы и композиты характеризуются иерархической структурой, которая представляет модель геометрии текстиля и механическое поведение. Модель геометрии текстиля служит основой массо-механическ?й модели и модели проникновения для текстильных композитов».

Как отмечалось, области применения многослойных композиционных текстильных материалов безграничны. Рассмотрим несколько умозрительных конструкций текстильных композитов, которые могут иметь применение в конкретных сферах деятельности  (см. рисунок).

В частности, противопролежневая подстилка (см. рис. а) должна сохранять кожу сухой, обеспечивать переменное давление на отдельные участки кожи. При этом влага от кожного дыхания и жидкость должны быстро транспортироваться в объем подложки и не проходить во внешнюю среду. Желательно, чтобы изделие имело противовоспалительное действие и способствовало подавлению развития микроорганизмов. Текстиль, используемый в конструкции, должен быть безвредным и гипоаллергенным. Кроме того, должна быть обеспечена легкость в уходе, долговременность использования.

Ниже приведен ориентировочный перечень требований к постельным принадлежностям для лежачих больных: рельефная поверхность (система поверхностных каналов, ячеек); капиллярность (диффузия влаги); пропускание физиологических жидкостей; антиаллергенность (отсутствие вредных веществ); барьер для клещей и продуктов их жизнедеятельности; высокая водоемкость; антистатичность (желательна); водоупорность (барьер для воды); легкость в уходе; длительность использования; устойчивость к истиранию.

Широкое распространение в современной медицине также получили текстильные трансдермальные терапевтические системы. Они предназначены для непрерывной подачи содержащихся в них лекарственных препаратов через неповрежденную кожу в систему кровообращения в течение длительного времени и играют роль своеобразной капельницы. Этот текстильный продукт представляет собой многослойную структуру (см. рис. б), которая является своеобразным депо для лекарственного препарата и накопителем метаболических отходов (влаги и тепла) тела человека.

Как один из возможных примеров, такая текстильная трансдермальная терапевтическая система может содержать следующие слои: слой, контактирующий с кожей; слой-резервуар для медикаментов; абсорбирующий слой; барьерный слой.

Еще одним примером использования многослойных композиционных текстильных материалов является одежда для защиты от химических и биологических факторов риска (см. рис. в). Изменение условий эксплуатации и выполняемой функции композиционного текстиля влечет за собой пересмотр требований, предъявляемых к текстильному продукту.

Защитная одежда должна обеспечивать: высокую хемостойкость; защиту от токсичных газов и аэрозолей благодаря наличию фильтрующего вкладыша со сферическим активированным углем; механическую прочность; водоотталкивание; малую проницаемость для частиц размером менее 0,5 мм; трудногорючесть; тепловой комфорт.

Области использования композитов определяются сферой деятельности человека и отличаются большим разнообразием. Однако как бы не был велик этот список, все создаваемые текстильные композиты направлены на выполнение основной функции: регулирование тепломассообменных процессов (поглощение влаги, тепла; разделение жидкостей и др.).

Основными методами соединения плоских текстильных элементов в многослойную структуру являются сшивание, склеивание, соединение посредствам сварки и прессования. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. Выбор метода соединения - важный этап на этапе проектирования, так как он влияет на технические свойства текстильного композита. В первую очередь он определяет наличие воздуха, который заключен между слоями и толщиной продукта, и видом скрепляющего материала.

Воздушная прослойка также является функциональным слоем в конструкции композита. Располагаясь между слоями, она создает климат-контроль и выполняет функцию управления перемещением влаги и тепла. Различные текстильные и соединительные материалы конструкции могут изменять объем воздуха. Кроме того, объем между слоями может играть роль функционального пространства.

Таким образом, многофункциональные 3D-текстильные структуры могут быть образованы наслоением индивидуальных текстильных слоев. Каждый из слоев, включая и воздух, вносит свои свойства.

В нашем университете методом термоклеевого дублирования с использованием клеевых материалов с двусторонней клеящей способностью получены многослойные текстильные композиционные материалы. Преимущество данного способа соединения полотен в многослойную структуру - возможность формирования в объеме композита полостей между слоями. Такие пустоты могут служить резервуарами для воздушного и жидкого пространства или могут быть заполнены наполнителем (волокна, порошок, гранулы). Это дает возможность контролировать свойства композиционных материалов.

В качестве клеевых материалов для соединения текстильных полотен в композиционный материал мы использовали два вида полотен с двусторонней клеящей способностью. Первый - эластичный трикотаж, содержащий в своей структуре низкоплавкие полиэтиленовые нити (с температурой плавления 1300С). В нем полиэтиленовые мононити частично выходят на поверхность полотна с лицевой и изнаночной сторон. Другой - клеевая сетка из сополимера этилена и винилацетата (ЭВА) (фирмы Boustic, Великобритания, Финляндия). Главное различие между этими материалами - толщина и клеящая способность.

Ниже представлены результаты наших собственных экспериментальных работ, в ходе которых были исследованы транспортные свойства (транспорт воды и тепла) исходных и многослойных композиционных текстильных материалов (табл. 1, табл. 2). Образцы получены путем соединения современных функциональных текстильных материалов в многослойную структуру посредством клеевой сетки.

Различия в физических свойствах позволили разделить исходные текстильные полотна на группы в зависимости от выполняемой ими функции при поглощении и переносе воды и тепла. Изменяя взаимное расположение слоев, заменяя их или изменяя толщину, можно регулировать скорость перемещения воды и тепла внутри композиционного текстильного материала (КТМ) и управлять способностью удерживать воду и тепло (табл. 3, табл. 4).

Таким образом, можно сделать вывод о том, что способность композиционных текстильных материалов поглощать, транспортировать и удерживать в своей структуре воду и тепло зависит от их строения, конструкции и свойств индивидуальных текстильных материалов, которые входят в состав КТМ.

ПРИМЕЧАНИЯ

Авторы выражают благодарность за предоставленную возможность проведения эксперимента по изучению теплофизических свойств коллеге из Slovak University of Technology in Bratislava Doc. Anna Murarova, PhD.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Украины

Журнальный вариант доклада, зачитанного на Международной конференции «Волокнистые материалы XXI  век» (СПб, 23-28 мая 2005 г.).

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ