Утепляющие материалы для проектирования теплозащитной одежды

Утепляющие материалы – это материалы, которые используются в изделии для повышения ее теплозащитных свойств. К ним предъявляются повышенные требования к их ветрозащитным свойствам, они должны быть прочными, легкими, чтобы не утяжелять общую массу изделия, износостойкими. Для наполнителя, которые образуют средний пакет, они должны иметь высокую упругость при сжатии.

Все наполнители можно классифицировать по их виду волокон, а именно как натуральные и искусственные. К натуральным наполнителям относится пух-перо, состоящий из смеси пуха и пера водоплавающих птиц, одомашненных (гусь, утка) и дикий (лебедь, дикая утка, гага). Пухо-перовое сырье, используемое в качестве наполнителя, обладает наиболее высокими теплозащитными свойствами, что связано с его свойством сохранять в себе воздух и быстро восстанавливать пухо-воздушный объем. Кроме того, пух-перо имеет высокую влагоотдачу, за счет наличия гидрофильных волокон. Но данное свойство имеет обратный эффект из-за высокой степени намокания и поглощения влаги волокнами.

Если говорить про натуральный наполнитель и его контроль, то стоит отметить, что технические условия на перо-пуховое сырье сравнительно давно не обновлялись. По [1] качество перо-пухового сырья оценивается по внешнему виду, запаху и процентному содержанию влаги, пуха, мелкого и среднего пера, подкрылка.

Технологическая инструкция НПО Комплекс, утвержденная ВПНО Союзптицпром в разделе обработки перо-пухового сырья, предусматривает только оценку смеси только по органолептическим показателям и влажности, которая не должна превышать 12% [2].

Российские ТУ перо-пухового сырья не полностью описывают его качество и не обеспечивают полного контроля за конечным продуктом. Зарубежные производители и потребители не ограничиваются перечисленным набором показателей для оценки перо-пуховой продукции. Ведущим мировым исследовательским центром International Down and Feather Testing Laboratory (IDFL) определено понятие наполняющей способности пуха - FILL POWER (F.P) [3]. F.P характеризует упругость пуха или его способность противостоять давлению, иными словами, описывает насколько хорошо смесь восстанавливается после воздействия на неё с определённым усилием. F.P. выражается в кубических дюймах (см) и отражает объем пуха, занимаемый одной унцией (28,35г) после снятия давления. Чем больше объём пуха, тем выше его качество.

Существует две методики определения упругости пуха – европейская и американская (рис. 1).

Рис. 1. Определение упругости пуха разными методиками

В настоящее время существует международный сертификат ответственного производителя пуха RDS (Responsible Down Standard) [4]. Данный стандарт, который выдается на партию пуха, гарантирует благополучие содержания птиц при производстве пухо-перового сырья.

Целью стандарта является улучшения благополучия животных в условиях фермы и качества конечного продукта (изделия). Данный стандарт контролирует все этапы производства пуха. Готовая продукция, при производстве которой использовался пух с сертификатом RDS, будет иметь ярлык с номером лицензии (рис. 2).

Рис. 2. Пример картонного ярлыка для изделия, в котором использовался пух сертифицированный RDS

К натуральным утепляющим материалам также можно отнести верблюжью, овечью и козью шерсть. Шерсть обладает высокими теплозащитными свойствами и высокой влагопоглощаемостью. Для того, чтобы изделие с таким видом наполнителя было не тяжёлым, к шерсти добавляют синтетическое волокно, которое позволяет облегчить массу изделия, а также уход за ним.

Вата, как натуральный наполнитель в верхней одежде, может быть хлопчатобумажная и шерстяная. Вата одежная в основном из низких сортов хлопка, хлопкового пуха и угаров. Шерстяную вату изготавливают из очесов овечьей шерсти, верблюжьего и козьего пуха и отходов шерстопрядения. Недостатком такого вида наполнителя является его ухудшения теплозащитных свойств в процессе эксплуатации из-за уплотнения, большой вес. Данный вид наполнителя применялся в производстве рабочей и военной одежды. В настоящее время вату применяют лишь в некоторых сферах производства одежды.

Ватин, как утепляющий материал, по способу производства бывает трикотажный и нетканый. Трикотажный ватин вырабатывается из хлопчатобумажной пряжи в основе, и из шерстяной или полушерстяной пряжи в утке. Он характеризуется мягкостью и упругостью, хорошо восстанавливает форму, не свойлачивается. Нетканый ватин изготавливается холстопрошивным, иглопробивным и клеевым способом. Он может быть изготовлен по волокнистому составу из хлопчатобумажных, полушерстяных и химические волокон. Ватин на шерстяной основе имеет достаточные теплозащитные свойства, но также и высокую воздухопроницаемость. В качестве наполнителя одежды, ватин чаще применяется при пошиве рабочей одежды и домашнего текстиля.

Наполнители из натуральных и искусственных волокон также применяются при пошиве верхней одежды. Например, шерстепон, который является утеплителем из натуральных волокон шерсти и полиэфирных волокон и выпускается под различными названиями в зависимости от волокнистого состава. Синтетические волокна в составе шерстепона, представляют собой тонкие полые трубки, скрученные в виде спиралей.

В статье [5] представлены результаты испытаний по гигроскопичности и капиллярности утеплителей «Шерстон» и «Синтепон». По результатам шерстон, который состоит из 65 % шерсти и 30 % хлопка имеет большую гигроскопичность, чем синтепон, состоящий из 100 % полиэфира. При этом капиллярность шерстона ниже и волокна синтепона быстрее впитывают влагу, чем волокна шерстона.

Еще одним из вариантов смешанных наполнителей является материал Альполюкс (Alpolux), который разработан в Австрии и выпускается в России компанией «Нафта-Хим» [6] и состоит из полиэфирных микроволокон и натуральной шерсти мериноса. Данный наполнитель имеет тонкую термическую пленку сверху и снизу полотна, которая придает ему прочность, высокую теплостойкость и препятствует миграцию волокон на ткань верха. Производитель предлагает применять Альполюкс как наполнитель для спального мешка, для детской и взрослой одежды, а также для одежды «outdoor».

Эта же компания, «Нафта-Хим», выпускает объемный нетканый материал Holicon. Данный наполнитель изготавливается из полых, спирально извитых полиэфирных волокон, которые могут покрываться силиконом. Этот же материал может производится с примесью шерсти и бамбука, но производитель отмечает применение такого вида материала лишь для изготовления матрасов, одеял и настильного стоя мягкой мебель.

В 2017 году ООО «БВН инжениринг» был запатентован объемный нетканый утеплитель для одежды, выполненный из волокнистой смеси, содержащей натуральные и полиэфирные волокна [7]. Данный композиционный утеплитель содержит 80 % натурального гусиного пуха, 10 % гусиного пера и 10 % полиэфирного полого волокна, скрепленного коллоидным связующим. Введение синтетических волокон повышает влагоустойчивость комплексного материала. В патенте представлена зависимость коэффициента Fill Power (коэффициент восстановления объема пухо-перового сырья после сжатия, см3) от состава сырья (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость параметра FP от состава сырья

На рисунке также видно, что увеличение процентного содержания полиэфирного волокна в состав наполнителя уменьшает Fill Power пуха. Данный запатентованый утеплитель разработан с 10 % полиэфирного полого волокна, так как при таком его содержании Fill Power остается на достаточно высоком уровне.

К искусственным наполнителям, используемым в верхней одежде, можно отнести клееные объемные полотна, которые вырабатываются из химических волокон путем нанесения связующего на поверхность волокнистого холста. К таким относится поролон (пенополиуретан), который обладает высокой упругостью и в его состав входят изоцианаты, гидроксилсодержащие олигомеры, вода, катализаторы и эмульгаторы [8]. Особенностью поролона является его токсичность при нагревании и плавлении. Поэтому при его использовании необходимо учитывать условия эксплуатации изделия и проводить его обработку в проветриваемом помещении.

Говоря про искусственные наполнители, хотелось бы также упомянуть такой инновационный материал, как синтепух из полиэфира, который получил широкое распространение в настоящее время. Он имеет высокие теплозащитные свойства за счет наличия воздуха между волокнами. Синтетический пух больше подобен своей структурой к лебяжьему пуху, отличием и преимуществом является его меньшая масса. В России синтепух производит компании ООО «Сантекс».

Одним из самых распространенных видов объемных наполнителей является синтепон, который представляет собой волокнистый холст, полученный из вторичных или восстановленных волокон, скрепленных термическим способом. В журнале «Сервис в России и за рубежом» представлена статья авторов Гоголева Н.С., канд. тех. наук Тюменева Ю.Я. и канд. тех. наук Мухамеджанова Г.К под названием «Анализ рынка утеплителей в России и за рубежом», в которой сказано, что в результате опроса швейных предприятий по применяемым ими утеплителям, наиболее предпочтительным является синтепон. Помимо высоких теплозащитных свойств, легкости и практичности, синтепон отличается невысокой ценой [9].

Сравнительно недавно на российском рынке появился новый объемный утеплитель под торговым названием «Холлофайбер», который начал выпускаться Московским заводом нетканых материалов «Термопол». Производитель на своем официальном сайте [10] утверждает, что по своим свойствам и эксплуатационным характеристикам Холлофайбер превосходит практически все натуральные, искусственные и зарубежные синтетические материалы. Особыми свойствами и преимущества производитель выделяет возможность наполнителя принимать и восстанавливать любую форму, не удерживает влагу, обеспечивает циркуляцию воздуха, осуществляет терморегуляцию и сочетается с любыми материалами в пакете одежды. Данный наполнитель производится для утепления одежды, обуви, домашнего текстиля, мебели, матрасов, строительства.

В отличии от синтепона, материал Холлофайбер обладает более высокой формоустойчивостью, благодаря вертикальной ориентации и пружинистой структуре полых полиэфирных волокон и обладает высокими теплозащитными свойствами. При помощи дополнительной обработки можно уменьшить миграцию волокон [11].

За пределами России в 2003 году бельгийская компания Libeltex зарегистрировала новую торговую марку Изософт (Isosoft). Выпускаемый утеплитель стал самым популярным в Европе среди синтетических материалов. Данный утеплитель изготовлен из полых волокон, которые называются «fine-denie». Основой его полой структуры являются полиэфирный полимер, который может быть также силиконизирован. В зависимости от скрученности волокон изменяется способы применения данного материала. При высокой скрученности волокна подобны шарикам и обладают пружинистой структурой, за счет чего такой материал более предпочтителен при проектировании спальных принадлежностей. Основным преимуществом Изософта является его способность выделять влагу наружу [12]. На электронном ресурсе «Справочник технологии одежды» [13] указано, что по своей способности сохранять тепло один слой утеплителя Isosoft можно сравнить с 3-4 слоями синтепона.

Наполнитель Тинсулейт, разработанный компанией 3М и вышедший на российский рынок в 1997 году, имеет микроволоконную структуру, за счет чего обладает высокими теплозащитными свойствами (до -60 °С). В зависимости от области применения материал Тинсулейт существует несколько типов: «С» («классик»), «Р» (детская одежда, повседневная одежда, перчатки), «TIB» (спортивная одежда, одеяла, спальные мешки), «В» (для обуви), «FB» (огнестойкий наполнитель. Самый классический материал Тинсулейт, который предначначен для городской верхней одежды, плащей, трикотажных изделий в своем волокнистом составе имеет 65 % полиолефиновое волокно и 35 % полиэфирное волокно. Выпускается в трех различных модификациях в зависимости от вида крепления с другими материалами пакета изделия. Имеется модификация без флизелиновой прокладки, для крепления материала при помощи клея или простежкой, с односторонней флизелиновой прокладкой для простежки с большим интервалом и с двухсторонней флизелиновой прокладкой что позволяет применять данный материал в свободно подвешенном состоянии, без крепления к материалам пакета [14].

Дочерняя компания корпорации DuPont под названием Invista (США) разработала и запатентовала свое изобретение – материал Термолайн (Thermolite). Идея, вдохновившая ученых, была позаимствовала у меха полярных медведей, волоски шерсти которых пронизаны пустотами. Благодаря этой идее полая структура синтетического волокна добавляет материалу повышенные теплоизолирующие свойства даже при намокании наполнителя. Это также позволяет отводить влагу и иные слои пакета одежды, а волокна наполнителя ее практически не впитывают [15].

Изобретение Термолайн произвело настоящую революцию в области производства одежды, за счет того, что данный материал мгновенно высыхает и эффективно сохраняет комфортный температурный режим подожжённого слоя пакета одежды.

Возвращаясь к российским производителям синтетических наполнителей стоит упомянуть наполнитель торговой марки «Шелтер» (Shelter), который выпускается Подольской фабрикой нетканый материалов «Весь мир» [55]. Данный материал состоит из очень тонких полиэфирных волокон, толщина который меньше, чем человеческий волос. Особенностями структуры является то, что волокна полимеров взаимно отталкиваются друг от друга, поэтому исключается комкование и слипание материала. Производитель на официальном сайте утверждает, что одежда с утеплителем «Шелтер» прошла проверку на теплозащитные свойства и испытания на огнестойкость, а также имеет сертификаты на безопасность продукции [16].

Одной из классической разработки в области синтетических утеплителей является утеплители линейки PrimaLoft (США). Данный вид утеплителя первого поколения появился на рынке в 1990 году и после чего начал активно внедряться в одежду и снаряжение для активного отдыха.

В 2009 году на российском рынке компания «Термореал» выпустила новый наполнитель Termofinn. Данный наполнитель совместил в себе финские технологии с отечественным производством и разработан специально для России и ее погодных условий. Производитель на официальном сайте утверждает, что данный наполнитель изготавливается только из первичного высокоизвитого полого волокна и внутри волокна имеется воздушная полость для придания высоких теплозащитных свойств материала [17].

Из зарубежных производителей на российском рынке выпускается утепляющий материал «Файбертек», произведенный в Республике Беларусь предприятием СООО «Торговый дом Файбертек». Данный наполнитель состоит из тонких извитых полых полиэфирных волокон, специально обработанных силиконом и дополнительно скрепленный с 2-х сторон спанбондом [18]. Также для достижения высокой прочности наполнителя поверхность армирована полипропиленовым волокном и простегана.

На основе литературного обзора всех существующих наполнителей и утеплителей, на рис. 4 приведена обобщенная классификация.

Рис. 4. Классификация наполнителей по составу входящих волокон

Анализ существующих на рынке вариаций утеплителей и наполнителей показал их обилие и многообразие. При проектировании утепленной одежды возможно варьируя плотностью, видом утеплителя разрабатывать изделия под разные температурные режимы эксплуатации.