Теплоизоляционный текстильный материал с высокой отражательной способностью - RU2692274C1

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к многослойным теплоизолирующим материалам и может быть использовано при производстве внутренней или наружной одежды, включая спецодежду для работы в осенне-зимний период на открытом воздухе, работников холодных складов и цехов (овощехранилищ, предприятий переработки рыбной и мясной продукции, промышленных холодильников и т.п.), аварийно-спасательной одежды, одежды для мотоциклистов и альпинистов. Кроме того, заявленное изобретение может быть использовано при производстве обуви (подкладок, прокладок и вкладышей для обуви), спальных мешков, одеял и накидок для профилактики переохлаждения, палаток, подстилок для палаток, туристических ковриков.

Теплофизические свойства текстильных материалов имеют важное значение при проектировании одежды и обуви с заданными теплозащитными свойствами и их эксплуатации в различных климатических, производственных и бытовых условиях.

Текстильные материалы обладают сложной пористой структурой, состоящей из волокон и заполненных воздухом пор. Поры располагаются как между волокнами, так и внутри них; формы и размеры их разнообразны: микро- и макрокапилляры, сквозные и замкнутые. Перенос теплоты в подобных материалах с неоднородной пористой структурой осуществляется благодаря теплопроводности волокон и воздуха, находящегося в замкнутых порах, конвекции через сквозные поры, теплоизлучения стенками пор. Поэтому коэффициент теплопроводности текстильных материалов условен: он характеризует способность материала передавать тепловую энергию не только вследствие теплопроводности, но и путем конвекции и теплоизлучения.

Учитывая, что текстильные материалы обладают высокой пористостью, сравнительно малой площадью контакта между отдельными волокнами и мало различаются по теплопроводности, их теплопроводность определяется в значительной мере теплопроводностью воздуха в замкнутых порах и конвекцией через открытые поры. С увеличением пористости структуры до определенного предела теплопроводность текстильных материалов снижается, так как теплопроводность воздуха ниже теплопроводности волокон. Однако при дальнейшем повышении пористости, когда появляются незамкнутые сквозные поры, теплопроводность материалов повышается, так как важную роль начинает играть конвекция.

Процесс переноса теплоты весьма сложен. Различают три способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность - процесс переноса теплоты в твердом теле, неподвижной жидкости или газе между участками с различной температурой. Механизм теплопроводности связан с тепловым движением микрочастиц (атомов, молекул) тела и энергетическим взаимодействием между ними.

Конвекция - процесс переноса теплоты в жидкости или газе путем перемещения их частиц.

Тепловое излучение - перенос теплоты в виде электромагнитных волн: излучаемая телом в окружающее пространство тепловая энергия превращается в лучистую, а при поглощении лучистой энергии телом она превращается в тепловую.

Лучи инфракрасной части спектра человек ощущает непосредственно кожей - как тепло.

Из уровня техники известен теплоизоляционный текстильный материал с высокой теплоотдачей (патент GB 2207884 А, МПК A41D 31/02, A47G 9/02, A61F 13/00, В32В 15/14, D06N 3/00, D06N 3/04, D06N 3/12, D06N 7/00, опубликован 15.02.1989), предназначенный для изготовления одежды, включая одежду для велосипедистов, мотоциклистов, альпинистов, лыжников; купальники и одежда для водолазов; спасательная одежда; обувь; спальные мешки, палатки; медицинские одеяла и одежда. Известный материал состоит из трех слоев, скрепленных клеем. Первый слой представляет собой текстильный материал из нетканого полотна, состоящего из полипропиленовой плоской ленты с волокнистой композицией, содержащей приблизительно 30% нейлона и 70% вискозы. В нормальном, несжатом состоянии материал имеет плотность около 7,5 унций на квадратный ярд. Второй слой представляет собой пленку из полиэфирного майлара, имеющую тонкое алюминиевое покрытие, нанесенное на обе стороны. Для человеческого глаза отражающая фольга состоит из тонкой зеркальной пленки, отражающей видимый свет, но наиболее важным оптическим свойством фольги является ее отражательная способность в отношении инфракрасного диапазона света. Третий слой представляет собой полиэтиленовый слой толщиной 23 мкм (во втором варианте осуществления, см. фиг. 3).

Недостатком известного изобретения является то, что материал не обеспечивает воздухопроницаемость и паропроницаемость, а следовательно, комфортность микроклимата изделия. Кроме того, клеевое скрепление слоев материала не обеспечивает гигиенические и экологические свойства изделия.

Из уровня техники известен гибкий многослойный теплоизоляционный материал (патент РФ на изобретение №2194915 С2, МПК F16L 59/08, F16L 59/02, опубликован 20.12.2002), обеспечивающий отражение инфракрасного излучения. Слои скреплены посредством адгезива. В частности, одним из вариантов выполнения известного материала является следующий: первый слой представляет собой слой тканого (капрон, шелк, брезент, полубрезент, бельтинг, парашютная ткань, стеклоткань, кремнеземная ткань, базальтовая ткань) или нетканого материала (стеклянного, кремнеземного, базальтового, войлочного материала, стекловаты и базальтовой ваты, вспененные полимеры), второй слой является металлическим, третий слой - например, защитный слой (вариант, проиллюстрированный на фиг. 2) или армирующая сетка (вариант на фиг. 7). Металлический слой, в частности, может быть выполнен из алюминия в виде металлической фольги толщиной 0,3-100 мкм. Третий слой - защитный - выполнен с целью защиты лицевой поверхности металла, армирующий - с целью придания дополнительных прочностных свойств материалу на изгиб, износостойкость, растяжение. Известное изобретение используется для изготовления барьеров распространения огня, теплоизоляции трубопроводов, огнезащитных чехлов.

Недостатком является то, что материал не является эластичным и не устойчив к многократному изгибу и растяжению за счет имеющегося в своем составе металлического слоя, выполненного из фольги. Вследствие этого известное изобретение не может быть использовано при производстве одежды и обуви.

Из уровня техники известен композитный текстильный материал с высокими защитными и теплоизолирующими характеристиками (патент РФ на полезную модель №177473 U1, МПК A41D 27/00, опубликован 26.02.2018). Известный материал состоит из сопряженных между собой внутреннего (первый слой) и наружного (третий слой) пакетов с теплоизолирующими неткаными материалами, при этом между двумя пакетами размещен материал (второй слой), отражающий инфракрасное излучение. Первый слой может состоять из флиса, спанбонда (нетканого материала), синтепона, холлофайбера, тинсулейта, прималофта. Второй слой может состоять, в частности, из алюминия. Третий слой может состоять из спанбонда, полиэфира (полиэстера, полиамида, полипропилена). Слои могут быть скреплены клеевым или термическим способом.

Недостатками известного изобретения являются:

- скрепление слоев материала клеевом способом не обеспечивает гигиенические и экологические свойства,

- промежуточный слой, выполненный из алюминия, не обеспечивает эластичности материала, устойчивости к многократному изгибу и растяжению.

Из уровня техники известен материал с покрытием, отражающим инфракрасное излучение (патент РФ на изобретение №2127194 С1, МПК В32 В 5/18, опубликован 10.03.1999). Известный материал содержит по меньшей мере одну металлизированную микропористую мембрану (второй слой), дублированную по меньшей мере с еще одним слоем текстильного материала (первый и/или третий слои). Слои скрепляются с помощью клея или термическим сплавлением. Во втором слое мембрана (пленка) выполнена из микропористого вспененного политетрафторэтилена, а металл может являться алюминием. Толщина металлического покрытия 0,001-0,125 дюймов. Текстильный материал в первом и/или третьем слое может представлять собой шелк, нейлон, трикотаж. Известный материал используется для изготовления камуфлирующей одежды.

К недостаткам известного изобретения можно отнести высокую стоимость и трудоемкость получения материала методом прессования, а также невозможность экранирования человека, покрытого таким материалом в ближней, средней и дальней областях спектра, так как материал не обеспечивает теплозащитный эффект. Кроме того, скрепление слоев материала клеевом способом не обеспечивает гигиенические и экологические свойства, а промежуточный слой, выполненный из алюминия, не обеспечивает эластичности материала, устойчивости к многократному изгибу и растяжению.

Из уровня техники известен многослойный теплоизолирующий материал (патент РФ на изобретение №2415622 С1, МПК A41D 31/02, опубликован 10.04.2011), который может использоваться для одежды специального назначения, мобильных покрытий - палаток, тентов. Известный теплоизолирующий материал состоит из первого слоя, выполненного из текстильного материала, третьего слоя в виде конструктивных элементов из текстильного материала, и второго слоя в виде металлизированного покрытия, образованного на внутренней поверхности упомянутых конструктивных элементов. В качестве металлизированного покрытия может использоваться, в частности, алюминий. Слои могут быть скреплены ниточным, клеевым, ниточно-клеевым или сварным способом. Известный материал предназначен для обеспечения камуфлирующего эффекта биологического объекта в ночное время суток.

К недостаткам известного изобретения можно отнести высокую стоимость и трудоемкость получения материала, а также исключение воздухопроницаемости и паропроницаемости материала за счет нанесения на основной слой термопластичного полимера и металлизированного покрытия.

Из уровня техники известен материал, отражающий инфракрасное излучение, состоящий из трех слоев (патент РФ на изобретение №2403328, МПК D03D 11/00, опубликован 10.11.2010). Первый слой представляет собой текстильный материал, состоящий из полиэфира с водоотталкивающей пропиткой. Поверхностная плотность около 160-265 г/м². Второй слой представляет собой металлизированный слой из нитрида титана, нанесенный на третий слой на атомарно-молекулярном уровне в количестве 1-2 г/м², толщиной до 100 нм. Второй слой обеспечивает теплоизоляцию, существенно ослабляет теплоотдачу и способствует отражению инфракрасного излучения. Третий слой представляет собой микропористый мембранный слой из термопластичной полиуретановой смолы с размером пор 1,3-1,6⋅10^-6 м.

Недостатками известного изобретения является исключение воздухопроницаемости и паропроницаемости материала за счет наличия слоя из термопластичной полиуретановой смолы, сплошного металлизированного слоя и водоотталкивающей пропитки.

Из уровня техники известен теплоизоляционный материал для изготовления тонкой и ветрозащитной одежды (патент CN 204335918 U, МПК A41D 31/02, A41D 1/00, опубликован 20.05.2015), состоящий из трех слоев: слой (10) из ветрозащитной водонепроницаемой пленки (микропористая пленка из политетрафторэтилена), трикотажное полотно из полиэфира (20) и слой (30) из алюминия в виде сетки, напыленного на полиэфирное трикотажное полотно. Слой (10) из политетрафторэтилена содержит микропоры диаметром 0,1-0,5 мкм.

К недостаткам известного изобретения можно отнести высокую стоимость компонентов и трудоемкость получения материала методом ламинирования.

Из уровня техники известен теплоизоляционный материал (патент CN 103584388 А, МПК A41D 31/02, В32В 15/09, В32В 15/20, В32В 27/12, В32В 27/02, опубликован 19.02.2014), состоящий из трех слоев: слой алюминиевой фольги толщиной 0,01 мм, слой из полиэфирной пленки (полиэтилентерефталат) и слой основной ткани (арамидное волокно). Известное изобретение относится к области защиты от огня и высоких температур.

Недостаткам является исключение воздухопроницаемости и паропроницаемости материала за счет наличия в составе сплошных слоев алюминиевой фольги и полиэфирной пленки.

Заявленное изобретение представляет собой теплоизоляционный текстильный материал, состоящий из трех слоев с определенными характеристиками, скрепленных иглопробивным способом, выполненный эластичным, воздухопроницаемым, паропроницаемым, в тоже время обладающий высокой теплоотражающей способностью, то есть экранирующим выделенное человеческим телом тепло и возвращающим его в пододежное пространство.

Техническим результатом заявленного изобретения является:

- обеспечение воздухопроницаемости и паропроницаемости материала, а, следовательно, комфортности микроклимата изделия,

- обеспечение гигиенических и экологических свойств изделия за счет скрепления слоев иглопробивным способом,

- повышение эластичности и устойчивости к многократному изгибу и растяжению, в связи с чем изобретение может быть использовано при производстве одежды и обуви,

- снижение стоимости и трудоемкости получения (изготовления, выработки) материала,

- повышение отражательной способности материала в инфракрасной области спектра и обеспечение теплозащитного эффекта, благодаря чему выделенное человеческим телом тепло экранируется и возвращается в пододежное пространство,

- повышение суммарного теплового сопротивления.

Сущность заявленного изобретения заключается в том, что теплоизоляционный текстильный материал с высокой отражательной способностью состоит из трех слоев, последовательно соединенных и скрепленных иглопробивным способом: первого слоя, представляющего собой подвергнутый ворсованию с двух сторон текстильный материал с поверхностной плотностью не менее 200 г/м², состоящего из натуральных волокон или их смесей с синтетическими волокнами с возможным вложением синтетических волокон в количестве до 100%, второго слоя, представляющего собой полиэтиленовую пленку толщиной от 40 мкм с односторонним или двухсторонним вакуумным напылением наночастиц алюминия, и третьего слоя, представляющего собой сетку с поверхностной плотностью от 25 до 150 г/м², выполненную трикотажным способом из полиэфирных нитей с размером ячейки от 1,0 до 4,0 мм. При этом в качестве текстильного материала для первого слоя можно использовать ткань или трикотаж или нетканое полотно.

Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 показана конструкция заявленного теплоизоляционного текстильного материала, где 1 - первый слой материала (утеплитель), 2 - второй слой материала (промежуточный) с напылением наночастиц алюминия, 3 - третий слой материала - сетка из полиэфирных нитей.

На фиг. 2 показан внешний вид первого слоя материала (утеплителя).

На фиг. 3 показан внешний вид второго слоя материала.

На фиг. 4 показан внешний вид материала со стороны третьего слоя.

На фиг. 5 показана принципиальная схема прибора для определения теплоотражающих свойств, где 4 - источник теплового излучения, 5 - термодатчик на внешней стороне образца, 6 - термодатчик на внутренней стороне образца.

На фиг. 6 показана таблица, иллюстрирующая результаты сравнительных испытаний контрольного и испытуемого образцов.

На фиг. 7 показана таблица, иллюстрирующая отражающую способность испытуемого образца (комбинированного материала) в зависимости от времени воздействия и температуры теплового потока.

На фиг. 8 показана таблица, иллюстрирующая отражающую способность контрольного образца (ткани-утеплителя) в зависимости от времени воздействия и температуры теплового потока.

На фиг. 9 показана таблица, иллюстрирующая отражающую способность контрольного и испытуемого образцов в зависимости от температуры теплового потока.

Теплоизоляционный текстильный материал согласно изобретению состоит из трех слоев, соединенных последовательно: первого 1, второго 2 и третьего 3 (фиг. 1).

Первый слой 1 выполняет функцию утеплителя и представляет собой подвергнутый ворсованию с двух сторон текстильный материал с поверхностной плотностью не менее 200 г/м².

Ворсование с двух сторон материала (с лица и изнанки) используют для придания объемности с целью увеличения воздушной прослойки и улучшения теплоизолирующих свойств.

В качестве текстильного материала для первого слоя 1 можно использовать ткань или трикотаж или нетканое полотно. Первый слой 1 состоит из натуральных волокон или синтетических волокон или смесей натуральных и синтетических волокон с возможным вложением синтетических волокон в количестве до 100%. Назначением первого слоя является обеспечение высоких теплового сопротивления и удельной теплоемкости материала. Внешний вид первого слоя материала показан на фиг. 2.

Второй слой 2 (см. фиг. 1) представляет собой полиэтиленовую пленку толщиной от 40 мкм с односторонним или двухсторонним вакуумным напылением наночастиц алюминия (металлизированная пленка). Назначением промежуточного слоя является повышение отражательной способности материала в инфракрасной области спектра. Отражение теплового потока, обеспечивающееся вторым слоем 2, в свою очередь обеспечивает дополнительный приток тепла к телу человека, создавая ему комфортные условия при низких температурах. Кроме того, второй слой 2 является хорошей защитой от ветра. Внешний вид второго слоя материала показан на фиг. 3.

Третий слой 3 (см. фиг. 1) представляет собой сетку с поверхностной плотностью от 25 до 150 г/м², выполненную трикотажным способом из полиэфирных нитей с размером ячейки от 1,0 до 4,0 мм. Назначение третьего слоя - предотвращение осыпания напыления с пленки при механических воздействиях, т.е. защита второго слоя 2 материала. Кроме того, третий слой 3 придает внешней стороне композитного теплоизолирующего материала приятный внешний вид, что имеет безусловно положительное значение для конкурентоспособности изделий, изготовленных из этих материалов. Внешний вид материала со стороны третьего слоя показан на фиг. 4.

Второй слой 2 является промежуточным и располагается между первым 1 и третьим 3 слоями (фиг. 1).

Первый 1, второй 2 и третий 3 слои скреплены иглопробивным способом. Иглопробивной способ скрепления слоев материала решает проблему задержки пленкой (второго слоя 2) молекул пара и создания эффекта «термоса», так как отверстия от игл заполняются волокнами из основы композитного материала (первого слоя 1), которые, не допуская выхода через отверстия тепла, сохраняют возможность отведения молекул пара из пододежного пространства. Это подтверждается результатами сравнительных испытаний теплоизолирующих материалов с металлизированной пленкой (вторым слоем 2) и без нее.

Для изготовления предложенного теплоизоляционного текстильного материала с высокой отражательной способностью может быть использовано отечественное сырье, а выполненные из него изделия могут изготавливаться на отечественных предприятиях с использованием имеющегося оборудования.

Для определения теплоотражающих свойств используют специально разработанный прибор (фиг. 5), позволяющий производить замеры проходящего через испытуемый материал теплового потока и отраженного от него теплового потока. Прибор для определения теплоотражающих свойств содержит источник теплового излучения 4, термодатчик 5 на внешней стороне образца, термодатчик 6 на внутренней стороне образца. Расстояние между источником теплового излучения 4 и термодатчиком 5 на внешней стороне образца является 5 см.

Принцип работы прибора: источник теплового излучения 4 генерирует тепловой поток, который поступает на внешнюю сторону испытуемого образца. Замеры температуры теплового потока производятся термодатчиками на лицевой 5 и на изнаночной 6 сторонах образца. Варьируются время воздействия теплового потока и температура потока. Результаты испытаний автоматически записываются на внешний носитель.

Ниже приведен пример осуществления изобретения.

Пример 1.

При изготовлении экспериментального образца в качестве первого слоя, являющимся основным теплоизолирующим слоем, использовалась ткань поверхностной плотностью 450 г/м² со следующими характеристиками:

- основа - нить полиэфирная текстурированная окрашенная в массе пневмосоедененная ТУ 2272-004-75726789-2014 номинальной линейной плотностью 65 текс,

- уток - пряжа из регенерированного сырья (разволокненные отходы трикотажного производства следующего состава: шерсть - 23%, нитрон - 58%, полиэфир - 19%) номинальной линейной плотностью 166 текс.

Первый слой материала была наворсован с двух сторон - с лица и изнанки.

В качестве второго слоя материала для получения теплоотражающих свойств была использована полиэтиленовая пленка ПЭ-П-СП 40×1600 толщиной 40 мкм, на которую в условиях вакуума нанесено покрытие из наночастиц алюминия. Данная пленка обеспечивает отражение до 97% теплового потока.

В качестве третьего слоя использовали трикотажную сетку арт. К95-160 поверхностной плотностью 120 г/м² из полиэфирных нитей. Третий слой материала прикреплен к двухслойному полотну со стороны металлизированной пленки (второго слоя материала).

Скрепление всех трех слоев осуществлялось методом иглопробивания.

В таблицах, приведенных на фиг. 6-9, показаны результаты сравнительных испытаний материалов. В качестве контрольного образца использовали утеплитель (по характеристикам соответствующий первому слою материала согласно заявленному изобретению) - «образец 1». В качестве испытуемого образца использовали разработанный трехслойный материал согласно заявленному изобретению с характеристиками слоев, указанными выше в данном примере - «образец 2».

Для определения теплоотражающих свойств использовали прибор, показанный на фиг. 5. Мощность источника теплового излучения, поступившего на внешнюю сторону образцов - 3 кВт, температура излучателя 510°С, площадь образцов материалов - по 0,045 м². Термодатчиком 5 на внешней стороне образца и термодатчиком 6 на внутренней стороне образца замерили температуры теплового потока. Результаты испытаний сравнительных испытаний образца 1 и образца 2 приведены на фиг. 6.

На фиг. 7 приведены результаты, иллюстрирующие отражающую способность комбинированного материала - образца 2 - в зависимости от времени воздействия и температуры теплового потока. На фиг. 8 приведены результаты, иллюстрирующие отражающую способность ткани (утеплителя) - образца 1 - в зависимости от времени воздействия и температуры теплового потока. На фиг. 9 приведены результаты, иллюстрирующие отражающую способность образцов 1 и 2 в зависимости от температуры теплового потока.

Результатами проведенных испытаний является следующее:

- прочностные характеристики (разрывная нагрузка и удлинение при разрыве) сравниваемых образцов - контрольного и испытуемого - находятся на одном уровне,

- паропроницаемость образцов находится практически на одном уровне: 7,0 мг/см²⋅ч у испытуемого образца против 8,6 мг/см²⋅ч у контрольного образца,

- жесткость материала возрастает на 19,7% по длине и на 30,7% по ширине, а воздухопроницаемость уменьшается на 27,9%, что находится в допустимых пределах,

- на 5,9% увеличивается суммарное тепловое сопротивление,

- теплоотражающая способность у контрольного образца при времени воздействия теплового потока 240 секунд практически уменьшается до нуля, в то время как у испытуемого образца составляет 47,9%,

- теплоотражающая способность испытуемого образца по сравнению с контрольным образцом при изменении температуры теплового потока на 34°С (с 55°С до 89°С) возрастает 5,3% до 38,9%.

Таким образом, изобретение позволяет:

- обеспечить воздухопроницаемость и паропроницаемость материала, а, следовательно, комфортность микроклимата изделия,

- обеспечить гигиенические и экологические свойства изделия за счет скрепления слоев иглопробивным способом,

- повысить эластичность и устойчивость к многократному изгибу и растяжению, в связи с чем изобретение может быть использовано при производстве одежды и обуви,

- снизить стоимость и трудоемкостт получения (изготовления, выработки) материала,

- повысить отражательную способность материала в инфракрасной области спектра и обеспечить теплозащитный эффект, благодаря чему выделенное человеческим телом тепло экранируется и возвращается в пододежное пространство,

- повысить суммарное тепловое сопротивление.

Реферат

Изобретение относится к многослойным теплоизолирующим материалам и может быть использовано при производстве внутренней или наружной одежды, включая спецодежду для работы в осенне-зимний период на открытом воздухе, работников холодных складов и цехов, аварийно-спасательной одежды, одежды для мотоциклистов и альпинистов. Кроме того, заявленное изобретение может быть использовано при производстве обуви, спальных мешков, одеял и накидок для профилактики переохлаждения, палаток, подстилок для палаток, туристических ковриков. Теплоизоляционный текстильный материал состоит из трех слоев, последовательно соединенных и скрепленных иглопробивным способом. Первый слой представляет собой подвергнутый ворсованию с двух сторон текстильный материал с поверхностной плотностью не менее 200 г/м, состоящий из натуральных или синтетических волокон или их смесей. Второй слой представляет собой полиэтиленовую пленку толщиной от 40 мкм с односторонним или двухсторонним вакуумным напылением наночастиц алюминия. Третий слой представляет собой сетку с поверхностной плотностью от 25 до 150 г/м, выполненную трикотажным способом из полиэфирных нитей с размером ячейки от 1,0 до 4,0 мм. Техническим результатом изобретения является обеспечение воздухопроницаемости и паропроницаемости материала, а следовательно, комфортности микроклимата изделия, обеспечение гигиенических и экологических свойств изделия за счет скрепления слоев иглопробивным способом, повышение эластичности и устойчивости к многократному изгибу и растяжению, в связи с чем изобретение может быть использовано при производстве одежды и обуви, снижение стоимости и трудоемкости получения материала, повышение отражательной способности материала в инфракрасной области спектра и обеспечение теплозащитного эффекта, благодаря чему выделенное человеческим телом тепло экранируется и возвращается в пододежное пространство, повышение суммарного теплового сопротивления. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Формула