Результат интеллектуальной деятельности: СТОЙКИЙ К ПРОРЕЗАНИЮ МАТЕРИАЛ

Настоящее изобретение относится к материалу, стойкому к прорезанию, который применяют для изготовления защитной одежды. Стойкость материала к прорезанию обеспечивают за счет применения как стойких к разрезанию синтетических волокон, так и металлических волокон, соединенных особым способом для обеспечения как комфортности, так и защиты потребителя.

Из патентов США №5287690, №5248548, №4470251, №4384449 и №4004295 известно использование нитей, содержащих сердцевины из металлического волокна и обвивки из высокопрочного синтетического волокна, для получения материалов, из которых изготавливают предметы одежды, стойкие к прорезанию.

Однако известные материалы не обеспечивали достаточной стойкости к прорезанию.

Технической задачей настоящего изобретения стало создание материала с повышенной стойкостью к прорезанию.

Данная техническая задача решается за счет создания стойкого к прорезанию материала, изготовленного с использованием по меньшей мере одной комбинированной нити, состоящей по меньшей мере из одной нити, в котором согласно изобретению нить содержит по меньшей мере две пряди, причем по меньшей мере одна прядь в комбинированной нити имеет структуру “оболочка-сердцевина” с оболочкой из штапельного волокна, стойкого к разрезанию, и сердцевиной из металлического волокна, и по меньшей мере одна из прядей в комбинированной нити содержит волокно, стойкое к разрезанию, и свободна от металлического волокна.

Предпочтительно по меньшей мере одна из комбинированных нитей содержит три нити.

Предпочтительно три нити содержат всего шесть прядей, причем по меньшей мере одна прядь по меньше четырех из них имеет структуру “оболочка-сердцевина” с оболочкой из штапельного волокна, стойкого к разрезанию, и сердцевиной из металлического волокна.

Также предпочтительно три нити содержат всего шесть прядей, причем только одна или две пряди из них имеют структуру “оболочка-сердцевина” с оболочкой из штапельного волокна, стойкого к разрезанию, и сердцевиной из металлического волокна.

Предпочтительно штапельное волокно, стойкое к разрезанию, изготовлено из поли-n-фенилентерефталамида.

Предпочтительно по меньшей мере одна, но меньше четырех из прядей комбинированной нити имеет структуру “оболочка-сердцевина” с оболочкой из штапельного волокна, стойкого к разрезанию, и сердцевиной из металлического волокна.

Далее изобретение будет пояснено более подробно со ссылкой на чертежи, на которых

фиг.1 - образец материала согласно настоящему изобретению;

фиг.2 - комбинированная нить, используемая в материале согласно настоящему изобретению;

фиг.3 - нить, входящая в состав комбинированной нити, используемой в материале согласно настоящему изобретению, и имеющая структуру “оболочка-сердцевина”, где оболочка состоит из штапельного волокна, стойкого к разрезанию, а сердцевина выполнена из металлического волокна.

Материалы, стойкие к прорезанию, очень важны для изготовления защитных покрытий, предметов защитной одежды и т.п. Например, перчатки, стойкие к прорезанию, были предметом интенсивного совершенствования в течение многих лет. Часто важно или желательно, чтобы материалы одновременно со стойкостью к прорезанию обладали высокой прочностью и эластичностью и были комфортными на ощупь. Материал согласно изобретению обладает высокой стойкостью к прорезанию, прочен и эластичен и обладает мягкостью, благодаря которой обеспечивается очень хорошая комфортность и возможность изготовления эффективной защитной одежды.

Одним из средств обеспечения высокой стойкости к прорезанию материала согласно настоящему изобретению является использование арамидного волокна. Материал также содержит металлические волокна, которые способствуют повышению стойкости к прорезанию. Материалы, изготовленные исключительно из металлического волокна, являются жесткими, сложными в обработке, и из них получаются тяжелые, некомфортные и натирающие кожу потребителя предметы одежды, обладающие стойкостью к прорезанию.

Однако металлические волокна, соединенные с арамидным волокном по способу согласно настоящему изобретению, могут быть использованы для выработки материала, стойкого к прорезанию, пригодного для изготовления защитной одежды, причем материал обладает комфортностью и не вызывает натираний, а также обладает стойкостью к прорезанию. Установлено, что использование очень небольшого количества металлического волокна может привести к неожиданно большому повышению стойкости к прорезанию материала.

На фиг.1 схематически представлен материал согласно настоящему изобретению, включающий комбинированные нити 1, показанные в образце материала. Комбинированные нити 1 могут быть одинаковыми или разными. Если материалом является трикотаж, то возможен любой подходящий вид трикотажного переплетения. На стойкость к прорезанию и комфортность оказывает влияние плотность вязания, и эту плотность можно регулировать для удовлетворения любых конкретных требований. Было установлено, например, что очень эффективное сочетание стойкости к прорезанию и комфортности может быть достигнуто при использовании гладкого трикотажного и махрового переплетений.

На фиг.2 изображена комбинированная нить 1, включающая нити 3 и 4 и предназначенная для использования в материале согласно изобретению. Комбинированная нить 1 содержит по меньшей мере одну нить и может содержать до шести нитей или больше. Обычно предпочтительно использовать три нити. Нити в комбинированной нити 1 обычно скручены, но кручение не обязательно.

Нить 3, как пример нити в комбинированной нити 1, может быть изготовлена только из арамидного волокна, причем волокно может быть в виде элементарных волокон или штапельного волокна. Нить 3 может конечно включать некоторые волокна из других материалов, например, из хлопка или найлона и т.п., но следует иметь в виду, что стойкость к разрезанию нити может быть снижена из-за присутствия таких других материалов. Нить 3 независимо от того, изготовлена ли она из элементарных волокон или из штапельного волокна, имеет линейную плотность 300-2000 дтекс, а отдельные элементарные волокна или нити имеют линейную плотность 0,5-7,0 дтекс, а предпочтительно 1,5-3 дтекс. Нить 3 изготавливают по меньшей мере из двух прядей.

Нить 4 как пример нити в комбинированной нити 1 может быть изготовлена так, чтобы она включала по меньшей мере одну сердцевину из металлического волокна. Помимо сердцевины из металлического волокна нить 4 может содержать оболочку из арамидного волокна, представленного либо в виде элементарных волокон, либо в виде спряденного штапельного волокна. Оболочка нити 4 может также включать некоторые волокна из других материалов в такой мере, при которой снижение стойкости к разрезанию по причине использования этих других материалов может быть допустимо. Нить 4 изготавливают по меньшей мере из двух прядей.

На фиг.3 показана прядь, входящая в состав нити 4 (см. фиг.2). Армированная пряжа 5 имеет так называемую структуру “оболочка-сердцевина”, которая включает сердцевину 6 из металлического волокна и оболочку 7 из арамидного волокна. Сердцевина 6 из металлического волокна может быть в виде единичного металлического волокна или в виде нескольких металлических волокон в зависимости от предъявляемых требований или пожеланий в конкретных условиях. Оболочка 7 из арамидного волокна может быть наложена, навита или спрядена вокруг сердцевины 6 из металлического волокна. Если оболочку формируют наложением, то обычно используют арамидное волокно в форме элементарных нитей, множество которых укладывают в один или большее число слоев вокруг сердцевины 6 из металлического волокна под углом, близким к прямому, к оси сердцевины для покрытия ими сердцевины. Если оболочку формируют обвивкой, то арамидное волокно обычно в виде штапельного волокна неплотно прядут известными способами, например, кольцепрядильным способом, обвивочным способом, самокруточным (с использованием пневмосопел) способом, пневмопрядением и т.п., и затем наматывают на сердцевину с плотностью, достаточной для по существу застила сердцевины. Если оболочку формируют прядением, то арамидное волокно в виде штапельного волокна формируют прямо на сердцевине 6 из металлического волокна любым подходящим способом для получения армированной пряжи со структурой “оболочка-сердцевина”, таким как прядение DREF или так называемое прядение Murata (с использованием пневмосопел), или другим способом прядения вокруг сердцевины.

Пряди с сердцевиной 6 из металлического волокна, например прядь 5, обычно содержит 1-50 мас.% металла при общей линейной плотности 100-5000 дтекс. Пряди без сердцевины из металлического волокна, например нить 3, обычно имеют линейную плотность 100-5000 дтекс. Арамидное волокно, присутствующее в прядях, независимо от того, в виде элементарных волокон или штапельного волокна, имеет диаметр 5-25 мкм и линейную плотность 0,5-7,0 дтекс. Штапельное арамидное волокно может иметь длину 20-200 мм, предпочтительно 40-60 мм.

Комбинированные нити, используемые в материале согласно настоящему изобретению, должны включать по меньшей мере одну прядь из арамидного волокна, не содержащую металлическое волокно, и по меньшей мере одну прядь, имеющую структуру “оболочка-сердцевина”, с оболочкой из арамидного волокна и сердцевиной из металлического волокна.

Арамидное волокно согласно настоящему изобретению обычно является параарамидным. Под параарамидным волокном понимают волокно, изготовленное из параарамидных полимеров, и предпочтительным параамидным полимером является поли-n-фенилентерефталамид (PPD-T). Под PPD-T понимают гомополимер, получаемый в процессе полимеризации при равном молевом соотношении n-фенилендиамина и терефталоилхлорида, а также сополимеры, получаемые путем введения малых количеств других диаминов с n-фенилендиамином и малых количеств других двукислых хлоридов с терефталоилхлоридом. Как правило, другие диамины и другие двукислые хлориды могут быть использованы в количествах вплоть до около 10 мол.% n-фенилендиамина или терефталоилхлорида или возможно в несколько больших количествах, но при этом надлежит следить только за тем, чтобы другие диамины и двукислые хлориды не содержали реактивных групп, которые оказывали бы пагубное влияние на реакцию полимеризации. Под PPD-T также понимают сополимеры, получаемые в результате введения других ароматических диаминов и других ароматических двукислых хлоридов, например, 2,6-нафталоилхлорида или хлоро- или дихлоротерефталоилхлорида; при этом надлежит следить только за тем, чтобы другие ароматические диамины или ароматические двукислые хлориды присутствовали в количествах, которые не оказывали бы пагубного влияния на свойства параарамидов.

Вместе с параарамидом в волокне могут быть использованы добавки, причем установлено, что с арамидом могут быть смешаны другие полимерные материалы в количестве вплоть до 10 мас.% или могут быть использованы такие сополимеры, которые содержат до 10% других диаминов, заменяемых на диамины арамида, или до 10% других двукислых хлоридов, замененных на двукислые хлориды арамида.

Параарамидное волокно обычно формуют путем экструзии из раствора параарамида через капилляры в коагуляционную ванну. В случае использования поли-n-фенилентерефталамида растворителем для получения раствора обычно является концентрированная серная кислота; экструдирование обычно производят через воздушный зазор в холодную водную коагуляционную ванну. Такие процессы хорошо известны и не составляют части настоящего изобретения.

Под металлическими волокнами понимают волокна или проволоку, изготовленную из пластичного металла, например, из нержавеющей стали, меди, алюминия, бронзы и т.п. Нержавеющая сталь является предпочтительным металлом. Металлические волокна обычно являются непрерывной металлической проволокой. Металлические волокна имеют диаметр 10-150 мкм, а предпочтительно 25-75 мкм.

Пряди независимо от того, включают они сердцевину из металлического волокна или нет, могут быть слегка подкручены. Нити также могут иметь некоторую крутку, причем крутка нитей обычно имеет противоположное направление по отношению к крутке прядей. Комбинированные нити обычно не подвергают крутке. Крутка любых прядей или нитей обычно составляет 2-10 оборотов на сантиметр.

Материал согласно настоящему изобретению обладает сбалансированным соотношением свойств стойкости к прорезанию и комфортности. Арамидное волокно обеспечивает основную долю стойкости к прорезанию материалов согласно настоящему изобретению, однако, общая стойкость к прорезанию и повышение стойкости к прорезанию являются результатом сочетания действия металлического волокна и арамидного волокна. Для повышения стойкости к прорезанию в материал может быть введено дополнительное количество металлического волокна. Одна отличительная особенность сочетания металлического и арамидного волокна согласно настоящему изобретению заключается в том, что повышения стойкости к прорезанию достигают путем добавления только одной или двух прядей, содержащих металлические сердцевины, ко всем прядям комбинированной нити, используемой для выработки ткани. Материалы, изготовленные с использованием комбинированной нити, состоящей из шести прядей, из которых по меньшей мере одна прядь, но меньше четырех, имеет структуру “оболочка-сердцевина”, где оболочка состоит из арамидного волокна, а сердцевина - из металлического волокна, обладают особенно благоприятным сочетанием стойкости к прорезанию и комфортности.

Арамидное волокно обеспечивает комфортность материала согласно настоящему изобретению, и с точки зрения обеспечения комфортности пряжа из штапельного арамидного волокна предпочтительна. Арамидное волокно используют в материале согласно настоящему изобретению для покрытия и застила металлического волокна для предотвращения контакта последнего с внешними объектами. Металлическое волокно распределяют в материале при его ограниченной концентрации в комбинированных нитях в материале и предотвращают возможность прямого фрикционного контакта металлических волокон с другими материалами благодаря тому, что они покрыты арамидным волокном в прядях, в комбинированной нити, в нити.

Установлено, что эластичность материала можно наилучшим образом поддерживать, когда металлические волокна распределены по меньшей мере в одной пряди, но не во всех прядях в каждой комбинированной нити, которую используют при выработке материала. Кроме того, прядь, имеющая структуру “оболочка-сердцевина” с оболочкой из арамидного волокна и сердцевиной из металлического волокна, когда ее включают в состав нити, которая является частью комбинированной нити, используемой для выработки материала, эффективно предотвращает выход наружу металлических волокон. Металлические волокна в таком материале не выходят на поверхность и не царапают наружные поверхности.

Методики испытаний

Методика испытаний на стойкость к прорезанию

Используемая методика является “Стандартной методикой испытаний по определению стойкости к прорезанию материалов, используемых в спецодежде”, соответствующей стандарту ASTM-F 1790-97. Для проведения испытаний режущим лезвием под нагрузкой с определенной силой проводят один раз по образцу, укрепленному на оправке. При нескольких различных силах нагрузки регистрируют расстояние от места первичного контакта лезвия с образцом до места прорезания образца и вычерчивают диаграмму “сила - расстояние до места прорезания”. По диаграмме определяют силу, требующуюся для прорезания на расстоянии 25 мм, и нормализуют ее для подтверждения достоверности результатов испытаний. Нормализованную силу принимают в качестве значения стойкости к прорезанию испытываемого образца.

В качестве режущего инструмента использовали лезвие ножа из нержавеющей стали длиной 70 мм. Лезвие калибровали, создавая нагрузку в 400 г и используя калибровочную подложку из неопрена, в начале и конце испытаний. В каждом испытании использовали новое лезвие.

Вырезали образец материала прямоугольной формы размером 50×100 мм, расположенный под углом 45° к направлениям по основе и утку.

Оправка являлась скругленным электропроводным бруском с радиусом 38 мм, и образец прикрепляли к оправке двусторонней липкой лентой. Лезвие проводили по образцу материала, закрепленного на оправке, под прямым углом к продольной оси оправки. Прорезание регистрировали, когда лезвие создавало электрический контакт с оправкой.

Методика испытания на комфортность

Испытания на комфортность неизбежно являются очень субъективными. В испытаниях на комфортность, связанных с настоящим изобретением, образцы размером 500×500 мм всех материалов, которые надлежало испытывать, располагали беспорядочно на столе. Экспертов просили на ощупь оценить свойства образцов по пятибальной системе, где оценка в 5 баллов присваивалась образцу, обладавшему наибольшей комфортностью. В испытаниях участвовало десять экспертов; по их оценкам определили средние значения оценок и свели их в таблицу, приведенную ниже.

Примеры

Материалы изготавливали вязанием с использованием ряда видов армированной пряжи типа “оболочка-сердцевина”, где в качестве сердцевины использовали мононити из нержавеющей стали ряда различных диаметров.

Арамидными композициями были волокна из поли-n-фенилентерефталамида длиной 38 мм и линейной плотностью единичного волокна 1,6 дтекс, поставляемые фирмой Дюпон под торговой маркой Кевлар®, тип 970.

Арамидное волокно перерабатывали на стандартной чесальной машине, используемой в системе выработки чесальной ленты, для получения пряжи из короткого штапельного волокна по системе кольцевого прядения. Чесальную ленту перерабатывали, используя два перехода ленточных машин (первую ленточную машину и заключительную ленточную машину), в ленту с ленточной машины и затем перерабатывали ее на ровничной машине для изготовления ровницы с линейной плотностью около 5900 дтекс. Ровницу затем делили на три группы, каждую группу использовали с каждой из трех стальных сердцевин.

Пряди со структурой “оболочка-сердцевина” изготавливали на кольцевой прядильной машине, используя два конца ровницы и вводя стальную сердцевину непосредственно перед кручением. Ровница имела линейную плотность около 5900 дтекс. В этих примерах стальную сердцевину располагали в центре между двумя концами вытянутой ровницы непосредственно перед выпускной парой вытяжных цилиндров. Были изготовлены образцы пряжи с линейной плотностью около 590 дтекс с коэффициентом крутки 3,25.

Использовали три сердцевины из нержавеющей стали:

1. стальную мононить диаметром 35 мкм;

2. стальную мононить диаметром 50 мкм;

3. стальную мононить диаметром 75 мкм;

и изготовили неармированную пряжу (без сердцевины), используя только арамидное волокно.

Изготовили три различных вида нити с использованием каждой из упомянутых выше металлических сердцевин и без сердцевины, т.е. чисто арамидную нить. Были изготовлены следующие виды нитей.

Нить А

Две пряди с линейной плотностью 590 дтекс из арамидного волокна с линейной плотностью 1,6 дтекс, сложенные вместе, с противоположной круткой, где одна прядь содержала стальную сердцевину, а другая - нет.

Нить В

Две пряди с линейной плотностью 590 дтекс из арамидного волокна с линейной плотностью 1,6 дтекс, сложенные вместе, с противоположной круткой, где обе пряди содержали стальную сердцевину.

Нить С

Две пряди с линейной плотностью 590 дтекс из арамидного волокна с линейной плотностью 1,6 дтекс, сложенные вместе, с противоположной круткой, где обе пряди не содержали стальной сердцевины.

Нити с линейной плотностью 590 дтекс в два сложения перерабатывали на вязальной машине в образцы, используя стандартную перчаточную вязальную машину модели Sheima фирмы Seiki. Режим вязания регулировали так, чтобы вырабатывать полотно основной части перчатки длиной 1 м для получения образцов материала для последующего их испытания на прорезание и истирание.

Образцы изготавливали, подавая 3 конца нити с линейной плотностью 590 дтекс в два сложения, на вязальной перчаточной машине для наработки образцов материала с поверхностной плотностью около 0,67 кг/м².

В таблице представлены результаты испытаний образцов материалов с указанием их состава нитей.