Полимерные композиты

Объёмные ткани: знакомство на перспективу
К материалам, о которых ниже пойдет речь, рекомендуем вам присмотреться. То, что в их основе – стекло или полимерное волокно, и что создавались они изначально для узкотехнического применения, вас не должно останавливать. Вспомните знаменитую джинсовую ткань, которой уже свыше двухсот лет: она шла в свое время на рабочую одежду для старателей, а теперь из нее шьют и prêt-à-porter, и одежду для самых маленьких, и вечерние туалеты для светских львиц, и пляжные ансамбли. Причем каждый мало-мальски уважающий себя модельер считает своим долгом завести собственную линию по производству джинсовой одежды…

В истории это бывало уже не раз: продукт, предназначенный для одной области, находил применение в совершенно другой и даже приобретал в последующем мировую востребованность. Но технический прогресс привел к тому, что мы зачастую не просто теряемся, а задыхаемся в огромном количестве материалов и технологий, существующих в сегодняшнем мире. С ростом промышленных оборотов многообразие возрастает, это неизменно влечет за собой возникновение новых наименований, а законы рыночной экономики и рекламная деятельность нередко приводят к тому, что одни и те же термины применяются к совершенно разным вещам, либо один и тот же продукт подпадает под совершенно разные категории.
В текстильной отрасли такой пример – текстурированные ткани. Именно их среда породила понятие «объёмные ткани», а оно включило в себя множество вариантов и технологий, кардинально отличающихся и по методике производства, и по целевым назначениям продукта.
Чтобы получить наиболее полное представление о разнообразии вариантов и технологий, сопутствующих термину «объёмные ткани», остановим свое внимание на основных категориях этих продуктов. В частности, говоря об объёмных структурах тканей, следует отличать текстуры на поверхности материала от объёмных изменений самой текстильной матрицы ткани, влияющих на ее физические и механические свойства.
Существует целый ряд технологических приемов, ведущих к созданию объёмных текстур на поверхности материала. К числу таких приемов следует отнести в первую очередь структурирование волокна, используемого при производстве тканей. Эффект достигается путем преобразования изначально гладкого волокна в объёмное, содержащее воздушные включения. Структурирование волокна, как технологический метод, применимо к большинству синтетических материалов благодаря их термопластическим свойствам. Основную роль при этом играют механические и термические способы воздействия на материал, позволяющие изменять не только его внешний вид, но и физические свойства – эластичность, теплопроводность и другие.
Структурированные волокна разделяют – в зависимости от их свойств – на высокоэластичные, нормальной эластичности, малой эластичности с повышенным объёмным эффектом. Особую нишу занимают материалы, подвергнутые специальному текстурированию посредством высокого давления и пара. Это так называемые BCF (bulked continuons filament – объёмное непрерывное волокно), нити которого отличают простота последующей обработки и характерное отражение света. Использование подобных материалов при изготовлении тканей уже само по себе обеспечивает их объёмное восприятие. Если же в производственном процессе применять волокна разного типа, поверхностные эффекты только усилятся, способствуя образованию текстурного рисунка.
Помимо вышеописанного способа существует ряд методов усиления оптических эффектов на поверхности ткани. К ним относятся:
– сочетание волокон различных сортов и свойств, в том числе искусственных и натуральных, что приводит к так называемому оптическому структурированию;
– специальные методы прошивки, ведущие
к возникновению объёмных рельефов на поверхностях тканей. Примером могут служить тканые элементы, применяемые в автомобилестроении;
– обработка химическими и термическими методами (по аналогии с термопластичными волокнами), обеспечивающая достижение объёмных эффектов на синтетических тканях. На завершающей стадии производства воздействию подвергаются лишь отдельные участки полотна, что обеспечивает многообразие вариантов дизайна поверхности.
Если объёмные поверхностные структуры, описанные выше, служат в основном решению эстетических задач, то изменения в матрице материала преследуют уже конструктивные цели: новые технологии позволили оптимально использовать свойства волокон и их «ориентацию в пространстве».
Заметим, что и среди тканей, рождаемых при помощи изменения текстильной матрицы, существует множество различных вариаций, которые отличаются друг от друга и по назначению, и по техническим характеристикам, и по методам изготовления. Условно их можно разделить на группы, исходя из методик производства, включающих сферическое и контурное плетение, изготовление многоплоскостных и многослойных объёмных композитов, нетканые технологии. Остановимся на всем этом подробнее, чтобы иметь представление о характере материалов и следующих из этого областях их применения.
Многослойные тканевые композиты – прошитые между собой слои волокон, которые в пределах слоя имеют одинаковое направление и находятся в одной плоскости. Расположение слоев под различными углами друг к другу обеспечивает при нагрузке дополнительную прочность. Вообще, подобные материалы характеризуются гораздо более высокими прочностными характеристиками, нежели обычные ткани такой же толщины.
Многослойные композиты могут быть подобраны, исходя из индивидуальных требований заказчика. Возможно изменение следующих параметров: числа, направления и веса отдельных слоев, вида применяемых волокон, ширины полотна. Наиболее часты в подобных структурах углеродные волокна и стекловолокна, причем они могут быть однослойными (unidirectional); двухплоскостными (bidirectional), когда направление волокон в плоскостях находится под 90, либо под 45 градусов друг к другу; трехплоскостными (triaxial) – с расположением волокон в 0, +45 и -45 градусов относительно друг друга; и даже четырехплоскостными (quadraaxial).
Сферическим плетением (shape weaving) в тканях достигаются объёмные элементы сферической формы. Получить такой продукт можно путем «тюнинга» прядильных установок – внедрением в них специальных формовочных механизмов, изменяющих длину и направление волокна. Этот метод изготовления сферических поверхностей применяется в основном в производстве технических тканей, служащих основой для фильтров и всевозможных уплотнителей.
Существуют и другие способы формирования объёмов – в частности, двухосевое плетение на плоскостных вязальных автоматах, при котором форма придается путем изменения геометрии петель и ввода в материал более жестких дополнительных волокон. Этот метод позволяет добиваться возникновения на поверхности материала не только сферических элементов, но и более сложных профильных геометрических фигур. Он широко применяется при изготовлении специальных уплотнительных и фильтровальных тканей, которые должны строго соответствовать заданной форме.
Но наибольшее распространение среди продуктов объёмного текстиля приобрели в последнее время материалы, изготовленные при помощи кругловязальных автоматов, так называемые многоплоскостные ткани. Их появление – следствие серьезной модернизации прядильной техники.
Под многоплоскостными тканями понимают материалы, состоящие из двух тканых поверхностей, соединенных на расстоянии друг от друга более или менее упругими несущими нитями. В качестве промежуточного применяется в основном полиамидное волокно, для изготовления верха тканей – всевозможные полимерные волокна, в зависимости от последующего применения конечного продукта. Расстояние между двумя плоскостями «текстиля» определяется техническими возможностями прядильной машины и варьируется в диапазоне от полутора до шестидесяти миллиметров. Прочность соединения тканей, находящихся на противоположных друг от друга «полюсах», обусловливают толщина и вид нитей, применяемых в качестве промежуточных, а также характер и свойства петель.
Быстрой смене образцов ткани для поверхности будущего материала способствует применение кругловязальных автоматических машин. В частности, восьмизамковых, обеспечивающих огромное количество вариантов дизайна и, соответственно, областей применения объёмных тканей. От обычных, кстати говоря, объёмные ткани отличает целый ряд преимуществ: варьируемая в широких пределах эластичность, лучшая пропускная способность (благодаря чему они легко чистятся и стираются), улучшенная терморегуляция.
Благодаря своим замечательным свойствам такие материалы находят все большее применение в различных отраслях промышленности. Довольно широко, например, они используются в автомобилестроении, где все большее значение придается условиям работы водителя (микроклимату внутри машины и шумоизоляции), а также экологичности самого автомобиля, его «дружелюбности» к окружающей среде.
Все большее применение объёмные ткани стали находить и в мебельной отрасли – они, как утверждают специалисты, обеспечивают улучшенные эксплуатационные свойства мягкой мебели.
Области использования объемных тканей
Автомобилестроение
18-20 gg** Бытовые ткани
18-20 gg Спортивная и повседневная одежда
24-32/40 gg Медицина
24-28 gg Технические ткани
18-24 gg
Сиденья
(отказ от применения поролона) Стулья / кресла Трикотаж Повязки, компрессорные прокладки Прокладки
для обуви
Боковая поверхность дверей Ткани для матрасов Снаряжение
для экстремальных видов спорта Больничное белье (кровати, подушки, накидки) Заменитель поролона
в одежде
Обивка салона Обивочные ткани
для зон отдыха Костюмы
для подводного плавания Впитывающие поверхности Ламинаты (стекловолокно)
Звукоизоляция Эффекты импрегнирования Сенсорные ткани
для медицинских наблюдений Защитная одежда
для спасателей
Теплоизоляция Покрытия
для операционных столов Баллистика
Термические покрытия Изоляционные материалы

** - gg (Needle gauge) – величина, характеризующая плотность вязки. Чем выше это число, тем плотнее ткань.
Отдельную нишу среди многоплоскостных тканей занимают материалы, основой которых служит стекловолокно. Широкое распространение они получили благодаря своим механическим свойствам, усиливаемым посредством привнесения в текстильную матрицу эпоксидных смол. Повышенный спрос на эти ткани и породил, собственно, модернизацию текстильного производства, повлекшую, в свою очередь, появление огромного количества новых объёмных тканых продуктов, которое мы имеем на сегодняшний день.
Технология создания этих продуктов проста: описанная выше трехплоскостная ткань, состоящая из стекловолокна, пропитывается эпоксидной смолой. В процессе пропитки и высыхания промежуточные волокна распрямляются и затвердевают, придавая тканому материалу высокую жесткость. Пропитка и затвердевание осуществляются вместе с формовкой, благодаря чему возникают легкие конструкции повышенной жесткости.
Материал уже широко используется в современной технике. Одна из его разновидностей – так называемые преимпрегнированные ткани (prepreg-ткани), которые в процессе производства пропитываются смолами, нетекучими при комнатной температуре. В таком состоянии они могут храниться в ожидании своего заказчика. Перед применением этот материал закладывается в формы и подвергается воздействию повышенной температуры, при которой смолы переходят в жидкое состояние и пропитывают волокна. При этой же температуре происходит и затвердевание. Конечный продукт – легкая и прочная конструкция, как и в предыдущем случае, за исключением того, что заказчика избавляют от кропотливой работы с эпоксидными смолами.
В настоящее время ведутся обширные исследования в области технологии изготовления многоплоскостных тканей, причем разработки во многом носят прикладной характер. Текстильщики, например, усиленно работают над производством трехплоскостной ткани на основе полиэфирных волокон, которая должна полностью заменить поролон при изготовлении автомобильных сидений. Использование такого рода тканей в мебельной отрасли должно привести к улучшению физиологических свойств и комфортабельности мягкой мебели.
Словом, понятие «объёмные ткани» включает в себя множество технологических и эстетических нюансов. А также – обширное число материалов, не связанных между собой, на первый взгляд, общими характеристиками. Объединяет их, пожалуй, только одно – пространственность.

П. Карагодин
«Мебельщик» № 3 (27), 2005