Структура эластичного композитного материала - RU2305038C2
Код документа: RU2305038C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к структуре эластичного композитного материала, предназначенного для применения в виде гибкой, пластичной тонкопленочной конструкции при изготовлении двух- или трехмерного изделия, в частности, с целью обеспечения механической защиты от надреза, прокола и т.п. Указанный тип структур эластичных композитных материалов можно использовать, например, в текстильных изделиях для приложений, имеющих отношение к индустрии здравоохранения, а также в некоторых других отраслях.
Уровень техники
Уровень техники, представленный, например, в патентных публикациях ЕР 0318415, US 5230937, US 3974320, US 5447594, US 4338370 и JP 6278247, включает в себя структуры, имеющие в своей основе слои материала, сконструированные тканым или нетканым образом. С точки зрения их функционального назначения все указанные материалы обладают недостатками, в особенности из-за недостаточной способности растягиваться. Таким образом, их нельзя использовать при изготовлении изделий, для которых эластичность является особо желательным свойством. Происходит это из-за того, что примененные в таких изделиях тканые и нетканые структуры могут обеспечить только пластичность или гибкость конструкций, не обладающих, однако, способностью реально растягиваться. Все сказанное в большой степени справедливо также и для решений проблемы, описанной в патентных публикациях JP 62297333, JP 11172860 и JP 1096227. Для всех них так называемая тканая или нетканая структура, играющая роль укрепляющего элемента, не является обязательной, и могут быть использованы, например, системы углеродных волокон или аналогичных материалов. Даже такие решения проблемы не способны обеспечить изготовление двух- или трехмерного эластичного изделия, поскольку их возможности ограничены только изготовлением пластичных структур. Все предшествующие решения могут быть пригодны для производства структур даже с высокой гибкостью, но тем не менее не способны обеспечить изготовление структур, которые согласно требованиям эластичности можно было бы растягивать хотя бы по одной оси, не говоря уже о двух- и трехосных системах.
Далее, в предыдущих исследованиях описывается создание структур, специальным образом снабженных упрочняющим каркасом на основе тканого материала, как это изложено, например, в патентных публикациях WO 9200343 или JP 60259682. Даже в наилучшем варианте втягивание, обеспеченное в этих решениях, составляет менее 36%, что существенно ограничивает применимость их для изготовления изделий, требующих особой эластичности. Недостаточные изгибающие свойства и высокий модуль упругости, по существу, вытекают из того факта, что тканые структуры, примененные в этих вариантах, образованы в соответствии с традиционной технологией. Таким образом, достаточная эластичность в данном случае не обеспечивается, поскольку в практических приложениях, связанных, в частности, с требованиями индустрии здравоохранения, необходимо, чтобы достигалась величина требуемой эластичности не менее 100%.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании структуры эластичного композитного материала, способной обеспечить кардинальное разрешение указанных выше проблем и, таким образом, существенно повысить достигнутый уровень техники. Для решения этой задачи предлагается структура эластичного композитного материала, предназначенного для применения в виде гибкой, пластичной тонкопленочной конструкции при изготовлении двух- или трехмерного изделия, в том числе обеспечивающего механическую защиту от повреждений. Структура материала имеет величину растяжения не менее 100%, содержит эластомерное покрытие и механически прочную укрепляющую систему, которая содержит тканую, трикотажную или вязаную структуру, предварительно частично или полностью покрытую или пропитанную с возможностью сохранения относительного скольжения при вытягивании между ее точками сцепления эластичной и мягкой эластомерной матрицей, имеющей при растяжении на 100% модуль упругости 1,0 МПа или менее. Тканая, трикотажная или вязаная структура изготовлена из гибкой смешанной нити, выполненной из жестких полимерных волокон и эластичных полимерных волокон, таких как эластановые волокна, а эластомерное покрытие образовано одним или несколькими качественно отличающимися друг от друга эластомерными материалами, например, на основе полиуретановой смолы, полиуретановой дисперсии, силикона.
Наиболее важные преимущества, получаемые за счет структуры эластичного композитного материала по настоящему изобретению, включают в себя простоту его конструирования и изготовления. Это позволяет изготовить изделия с очень высокой эластичностью, но тем не менее с достаточно хорошими свойствами, касающимися механической прочности, в частности, по отношению к проколу, надрезу и т.п.
Эластичная композитная структура по изобретению в порядке альтернативы осуществима с использованием широкого разнообразия конструкций. При этом включенная в структуру укрепляющая система конструируется, в первую очередь, в виде тканой, трикотажной или вязаной структуры, изготовленной из смешанной нити, или в виде комбинации укрепляющих элементов, в состав которой входит хлопьевидная укрепляющая структура с ориентированным хлопьевидным наполнением, изготовленная из ламинированных хлопьевидных наполнителей.
Хлопьевидная укрепляющая структура предпочтительно состоит из твердых органических и/или неорганических материалов, при этом в ней хлопьевидные наполнители расположены в виде одного или нескольких твердых полимерных слоев с образованием эластичной структуры с интегральным составом.
Хлопьевидная укрепляющая структура может быть также выполнена в виде цельного слоя, обладающего защитными свойствами, в которой один или несколько структурных слоев хлопьевидной укрепляющей системы сформированы: нанесением хлопьевидных наполнителей на поверхность эластомерного покрытия с их ориентированием механизированным и/или ручным способом, или нанесением хлопьевидных наполнителей на поверхность эластомерного покрытия электростатическим способом посредством напыления по мягкому эластомерному покрытию, или нанесением хлопьевидных наполнителей на поверхность эластомерного покрытия со свободной их ориентацией, или нанесением хлопьевидных наполнителей электростатическим или пневматическим способом таким образом, чтобы локализовать их для образования ориентированного предшествующего слоя перед последующим нанесением эластомерного покрытия.
Ориентация хлопьевидных наполнителей предпочтительно проведена электростатическим способом, при этом хлопьевидные наполнители поляризованы с применением шаблона ориентации для укладки внахлестку или имеют свободную ориентацию.
В наиболее предпочтительном варианте эластомерная матрица образована смесью компонентов, причем хлопьевидный укрепляющий элемент обработан первым компонентом, а тканая, трикотажная или вязаная структура соответственно обработана, всесторонне или локально, вторым компонентом для обеспечения желаемой адгезии при желаемой локализацией между тканой, трикотажной или вязаной структурой и хлопьевидным укрепляющим элементом.
Хлопьевидный укрепляющий элемент предпочтительно обработан третьим компонентом, который не индуцирует адгезию с тканой, трикотажной или вязаной структурой или со смешанной нитью, используемой в этой структуре.
В предпочтительном варианте осуществления смешанная нить тканой, трикотажной или вязаной структуры представляет собой нить, свитую из жестких и эластичных полимерных волокон, представляющих собой жидкокристаллический полимер и эластановые волокна, в частности, для максимизации ресурса эластичности между точками сцепления, присутствующими в тканой, трикотажной или вязаной структуре, до 500%. Таким образом, задействован максимальный ресурс эластичности между точками сцепления в тканой, трикотажной или вязаной структуре.
В следующем варианте тканая, трикотажная или вязаная структура предварительно покрыта или пропитана эластичной и мягкой эластомерной матрицей посредством формирования реального поверхностного слоя композитной структуры поверх мягкой эластомерной матрицы.
Эластомерная матрица тканой, трикотажной или вязаной структуры может быть сформирована по многокомпонентному принципу, в соответствии с которым тканая, трикотажная или вязаная структура пропитана локально или полностью первым компонентом, затем покрыта смесью компонентов посредством погружения или распыления или другим аналогичным приемом с использованием смеси компонентов, содержащей второй и третий компоненты, при этом второй компонент способен во время процесса нанесения покрытия реагировать с первым компонентом с образованием мягкой и эластичной матрицы вокруг или поверх тканой, трикотажной или вязаной структуры, при этом третий компонент способен сформировать механически более прочный поверхностный слой эластомерного покрытия поверх мягкой эластичной матрицы.
Таким образом, эластичная композитная структура по изобретению предлагает решение проблемы, которое существенно и позитивным образом отличается от традиционных решений и применимо даже в условиях, отвечающих высоким требованиям, например, в модификациях одежды, надеваемой для соблюдения больничной гигиены, без использования раздельных и многослойных предметов одежды, надетых поверх друг друга.
Перечень фигур чертежей
Далее изобретение будет подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи, из которых:
фиг.1а и 1b иллюстрируют несколько предпочтительных принципов построения эластичной композитной структуры по изобретению, изображая, в частности, укрепляющую систему на основе вязаной структуры;
фиг.2а-2с иллюстрируют несколько альтернативных конструкций для эластичной композитной структуры по изобретению, изображая, в частности, укрепляющую систему с тканой, трикотажной или вязаной структурой;
фиг.3а-3с дополнительно иллюстрируют несколько предпочтительных альтернативных вариантов решения проблемы для эластичной композитной структуры по изобретению, изображая, в частности, укрепляющую систему, укрепленную за счет структурирования хлопьевидным наполнителем;
фиг.4а-4с дополнительно иллюстрируют несколько предпочтительных вариантов осуществления эластичной композитной структуры по изобретению в виде так называемых комбинированных структур;
фиг.5а-5с дополнительно иллюстрируют несколько предпочтительных конструкций эластичной композитной структуры по изобретению, которые были получены посредством определенных технологий.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Изобретение относится к эластичной композитной структуре, предназначенной для применения в виде гибкой, пластичной тонкопленочной конструкции при изготовлении двух- или трехмерного изделия, в частности, с целью обеспечения механической защиты от надреза, прокола или аналогичного повреждения. Композитная структура содержит, во-первых, эластомерное покрытие 1, составленное из одного или нескольких качественно отличающихся друг от друга эластомерных материалов на основе ПУР (полиуретановая смола), ПУД (полиуретановая дисперсия), СИ (силикон) и/или аналогичных материалов, и, во-вторых, механически прочную укрепляющую систему 2, такую как тканая, трикотажная или вязаная структура, изготовленная из одной или нескольких гибких смешанных нитей, или как укрепляющая структура 2с с ориентированным хлопьевидным наполнением, изготовленная из ламинированных хлопьевидных наполнителей (у) и т.п.
В особо предпочтительном варианте осуществления включенные в укрепляющую систему композитной структуры тканая структура или структура вязаного типа, обозначенные индексом 2 и представленные в качестве примера на фиг.1а и 1b, изготовлены из смешанной нити L. Нить L свита из жестких и эластичных полимерных волокон L1, L2, таких как жидкокристаллический полимер (ЖКП), или арамидные волокна (армос, терлон), или полибензтиазольные волокна (PBZ) и волокна эластана (спандекса, лайкры, дорластана, эласпана, линеля). Волокна эластана имеют прочность на разрыв 25-65 cN при растяжении 500% или 4,8-8,0 cN при растяжении 300%, в частности, с целью доведения до максимума ресурса эластичности Х между точками сцепления (friction points, FP), присутствующими в тканой структуре 2а', трикотажной или вязаной структуре 2а. Таким образом, оказывается возможным довести уровень вытягивания между точками сцепления до, например, 500%. Смешанная нить L может также релаксировать, например, при приложении тепла. В результате такой обработки многожильная структура смешанной нити более эффективно удерживает свою форму и обеспечивает образование вязаной петли, у которой пропорциональная удельная эластичность улучшена по сравнению с нерелаксированной нитью. Изготовление смешанной нити с различными конечными свойствами можно обеспечить применением различных волоконных материалов и систем, таких как органические и неорганические волокна, а также моно- и многожильные структуры.
Вязаная структура 2а, образованная смешанной нитью L, до нанесения покрытия может быть "сверхэластичной". Однако, несмотря на это, поскольку в ходе процесса нанесения покрытия она теряет некоторую часть своей эластичности, целесообразно предпочтительно придать описанным выше образом смешанной нити и вязанию максимально возможный ресурс эластичности. Естественно, смешанную нить можно применять также для производства тканых, трикотажных или аналогичных изделий.
В предпочтительной модификации применения, особенно в связи с вариантами осуществления изобретения, изображенными на фиг.2а-2с, тканая структура 2а' или вязаная (трикотажная) структура 2а, включенные в укрепляющую систему 2 композитной структуры, предварительно частично или полностью покрыты/пропитаны эластичной и мягкой эластомерной матрицей 2b, имеющей при растяжении на 100% модуль упругости 1,0 МПа или менее. Указанная матрица предназначена, в частности, для защиты смешанной нити L и точек сцепления FP тканой, трикотажной или вязаной структуры 2 или для сохранения свойства оптимальной эластичности этой структуры посредством формирования реального поверхностного слоя эластомерного покрытия 1 композитной структуры поверх мягкой эластомерной матрицы 2b.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения эластомерную матрицу 2b тканой структуры 2а', трикотажной или вязаной структуры 2а изготавливают, используя принцип многокомпонентности. Сначала предварительно частично или полностью обрабатывают тканую, трикотажную или вязаную структуру первым компонентом, затем указанную структуру покрывают далее смесью компонентов посредством, например, погружения, распыления и/или другим аналогичным образом, применяя смесь, содержащую второй и третий компоненты. При этом во время процесса нанесения покрытия второй компонент реагирует с первым компонентом таким образом, чтобы образовать мягкую и эластичную матрицу 2b вокруг/поверх тканой, трикотажной или вязаной структуры 2, а третий компонент образует поверх мягкой эластомерной матрицы слой эластомерного покрытия 1, более прочный в механическом отношении.
В этом контексте первый компонент может содержать, например, форполимер, второй компонент может представлять собой реагент, осуществляющий поперечное сшивание или удлинение/формирование цепи, и далее третий компонент может быть нейтрализованным, инертным поли- или эластомером.
Естественно, описанную выше композитную структуру можно приготовить также из тканого, трикотажного или аналогичного материала, покрывая его описанным выше образом. Содержание укрепляющего элемента в матрице композитной структуры составляет величину в интервале 5-95 объемных %. Для оптимизированного варианта структуры можно обеспечить подобные свойства эластичности как в продольном, так и в поперечном направлениях. Имеется возможность изменять таким образом показатель эластичности структуры в интервале, составляющем даже 100-1500%.
С другой стороны, изобретение относится к эластичной композитной структуре, предназначенной для применения в виде гибкой, пластичной тонкопленочной структуры при изготовлении двух- или трехмерного изделия и содержащей укрепляющую систему 2 для механического укрепления структуры с целью противодействия порезу, прокалыванию или подобному повреждению. Указанную систему 2 для композитной структуры по изобретению изготавливают в виде хлопьевидной укрепляющей системы 2с (фиг.3-5), состоящей из твердых органических и/или неорганических материалов. Хлопьевидные наполнители (у) расположены в виде одного или нескольких твердых полимерных слоев. При этом система 2 содержит укрепляющую систему 2, снабженную эластомерной матрицей 2b, адаптированной для создания эластичной структуры, имеющей цельную композицию. В этом контексте следует обратить особое внимание на фиг.3а-3с, на каждой из которых изображена также и реальная поверхностная структура в виде эластомерного покрытия 1.
В следующем предпочтительном варианте осуществления изобретения хлопьевидный укрепляющий наполнитель для композитной структуры по изобретению изготавливают из твердого органического и/или неорганического материала, площадь его поверхности предпочтительно составляет более 2 мм2, а толщина лежит в интервале 0,02-1 мм. Изготовление предпочтительно проводят посредством ламинирования одного или нескольких твердых полимерных слоев. Предпочтительно также снабдить ламинированную структуру дополнительными укрепляющими элементами, например, такими как экстремально тонкий и плотный нетканый или тканый укрепляющий элемент.
Предпочтительные применения структуры этого типа включают в себя, например, варианты, в которых хлопьевидная укрепляющая система 2с спроектирована в виде цельного слоя, осуществляющего всестороннюю механическую защиту. В указанном слое один или несколько структурообразующих слоев хлопьевидной укрепляющей системы сформированы:
- нанесением хлопьевидных наполнителей (у) на поверхность эластомерного покрытия 1 с их ориентированием механизированным и/или ручным способом,
- нанесением хлопьевидных наполнителей (у) на поверхность эластомерного покрытия 1 электростатическим способом посредством напыления по мягкому эластомерному слою 2b,
- нанесением хлопьевидных наполнителей (у) на поверхность эластомерного покрытия 1 со свободной их ориентацией,
- нанесением хлопьевидных наполнителей (у) электростатическим или пневматическим способом таким образом, чтобы локализовать их так, как это желательно для составления требуемого ориентированного слоя 2с, 2с'', предшествующего наносимому далее эластомерному покрытию 1 (этот вариант специально изображен на фиг.5а).
Применительно к приведенным выше вариантам следует специально отметить, что наиболее предпочтительно, чтобы ориентация хлопьевидных наполнителей (у) была проведена электростатическим способом таким образом, чтобы указанные наполнители (у) были поляризованы для обеспечения желаемой ориентации, показанной, например, на фиг.3а или 3b, посредством применения, в качестве шаблона ориентации, так называемой укладки внахлестку. Кроме того, возможна свободная ориентация 2с, 2с', показанная, например, на фиг.3с.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения, специально показанных на фиг.4a-4d, укрепляющая система 2, включенная в композитную структуру, приготовлена из комбинации укрепляющих элементов, содержащих тканую 2а', трикотажную или вязаную 2а структуру, и хлопьевидных укрепляющих слоев 2с.
В качестве следующего предпочтительного варианта хлопьевидная укрепляющая структура 2с прикреплена в этом типе варианта осуществления к тканой, трикотажной или вязаной структуре 2 посредством адгезионной технологии. При этом указанный укрепляющий элемент обработан первым компонентом, а тканая, трикотажная или вязаная структура 2 соответственно обработана, всесторонне или локально, вторым компонентом для обеспечения желаемой адгезии между тканой, трикотажной или вязаной структурой и указанным укрепляющим элементом при желаемой локализации.
В соответствии с конструкцией, показанной на фиг.5b, хлопьевидная укрепляющая система 2с, 2с' нанесена поверх тканого, трикотажного или вязаного структурного слоя 2, объединенного с эластомерным покрытием 1, таким образом, чтобы не ограничивать эластичности указанного структурного слоя. При этом, реализуя принцип многокомпонентности, хлопьевидный укрепляющий элемент обрабатывают третьим компонентом, который не индуцирует адгезию с тканой, трикотажной или вязаной структурой 2 или с нитью L, примененной в этой структуре.
Очевидно, что изобретение не ограничено примерами осуществления, описанными выше или изображенными на чертежах, но может найти приложение в самых разных вариациях. Так, структуры, особо устойчивые к надрезу или к проколу, показанные соответственно на фиг.2а-2с и 3а-3с, а также структуры, устойчивые и к надрезу, и к проколу, которые показаны на фиг.4а-4с, можно, конечно, изготовить с помощью самых разных производственных технологий. Так, эти структуры могут быть заранее спроектированы с определенным типом поверхностной текстуры, например с определенным рисунком бороздок, утолщений и т.п. Кроме того, применение соответствующих производственных технологий, таких как электростатическое нанесение покрытия, также обеспечивает возможность приготовления высококачественных трехмерных изделий, например, типа перчаток, которые дополнительно обеспечивают так называемое абсолютное соответствие размеру руки. При этом вместо воспроизведения трубчатых форм производственный процесс настраивают на производства структур, поперечные сечения которых менялись бы по их продольной оси. Кроме того, принципы обеспечения эластичности, проиллюстрированные прежде всего на фиг.2а и 2b, посредством применения крученой смешанной нити могут быть реализованы также в случае структуры, текстура которой структурирована тканым, трикотажным или сетчатым образом.
Реферат
Изобретение относится к структуре эластичного композитного материала, предназначенного для применения в виде гибкой, пластичной тонкопленочной конструкции при изготовлении двух- или трехмерного изделия, в частности, для обеспечения механической защиты от повреждения. Структура содержит эластомерное покрытие и механически прочную укрепляющую систему из тканой, трикотажной или вязаной структуры, предварительно частично или полностью покрытую или пропитанную эластичной и мягкой эластомерной матрицей. Эластомерное покрытие образовано одним или несколькими отличающимися друг от друга эластомерными материалами, выбранными из материалов на основе полиуретановой смолы, полиуретановой дисперсии, силикона. При этом тканая, трикотажная или вязаная структура изготовлена из гибкой смешанной нити, выполненной из жестких полимерных волокон и эластичных полимерных волокон, представляющих собой эластановые волокна. Кроме того, механически прочная укрепляющая система может быть выполнена в виде комбинации укрепляющих элементов, в состав которых входит хлопьевидная укрепляющая структура с ориентированным хлопьевидным наполнением. Эластичная композитная структура по изобретению позволяет достаточно просто изготовить изделия с очень высокой эластичностью, хорошими прочностными свойствами, что позволяет их использовать в здравоохранении, например в модификациях одежды, надеваемой для соблюдения больничной гигиены, без использования раздельных и многослойных предметов одежды, надетых поверх друг друга. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.
