Мембраны для водонепроницаемой одежды. Вчера, сегодня, завтра.
Водонепроницаемость первых тканей для защиты от непогоды достигалась нанесением на их поверхность сплошного слоя из жира животных, растительных масел или воска. Такие ткани не отличались комфортом из-за своей жесткости, большого веса и невозможности испарять водяной пар с поверхности тела. Заметный прорыв в технологии обеспечения водонепроницаемости тканей произошел во время Второй мировой войны, благодаря разработкам водонепроницаемых полетных комбинезонов для летчиков Королевских ВВС Великобритании, прикрывавших морские арктические конвои. Так в 1943 году началось массовое производство первой водонепроницаемой ткани из 100% длинноволокнистого египетского хлопка высшего сорта.
Ткани плотного плетения
Водонепроницаемость хлопковой ткани обеспечивалась специальным плотным плетением «Оксфорд» и свойством хлопка разбухать от намокания. Плетение образовывало микропоры размером не более 10 мкм, непроницаемые для воды. При намокании волокна хлопка разбухали, сужая микропоры до 3-4 мкм, что увеличивало защиту от проникновения капель воды, самые маленькие из которых имеют размер не менее 100 мкм. Принципиальное отличие новой ткани от аналогов, покрытых воском или жиром, заключалось в способности испарять водяной пар, обеспечивая небывалый прежде уровень комфорта. Молекулы испаряемого человеческим телом водяного пара имеют размер 40х10E-6 мкм, поэтому свободно проникают через микропоры ткани и диффундируют в окружающую среду, благодаря капиллярному механизму переноса жидкости. В наши дни для производства водонепроницаемых тканей, работающих на принципе плотного плетения, применяется микроволокнистый полиэфир и дополнительно используются гидрофобные отделки на основе тефлона или флуорокарбона.
Ткани с мембранами
Ткани плотного плетения все же не обеспечивали полной защиты от воды и следующим шагом на пути к эффективной водонепроницаемой одежде стали мембранные пленки. Их создание стало возможным с развитием производства полимеров. Паропроницаемые мембраны сегодня очень популярны на отечественном рынке защитной спецодежды и часто преподносятся производителями одежды, как современные инновации. В действительности, за рубежом ежегодно продаются миллионы метров тканей с мембранами, начиная с 1990-х годов. Мембраны часто называют «дышащими», однако это определение не должно вводить в заблуждение относительно способности мембраны обеспечивать активную вентиляцию. Мембраны лишь проводят через себя водяной пар, благодаря механизмам капиллярного (микропористые мембраны) или диффузного (гидрофильные мембраны) переноса, не имеющим ничего общего с вентиляцией или т.н. способностью «дышать». Рассмотрим обе разновидности мембран более подробно.
Микропористые мембраны
Микропористые пленки работают примерно по тому же принципу, что и водонепроницаемые ткани плотного плетения, упомянутые выше - размер микропор слишком мал для проникновения воды, но достаточен для пропускания молекул водяного пара. Первую и наиболее известную пористую мембрану разработал Билл Гор в конце 1960-х годов. Это очень тонкая пленка политетрафторэтилена (ПТФЭ), имеющая 1,4 млрд. микроскопических пор на квадратный сантиметр. Размер пор позволяет мембране пропускать водяной пар, но будучи гидрофобным полимером, ПТФЭ отталкивает воду. Микропористые пленки и покрытия могут изготавливаться из полиуретана (ПУ), получившего популярность, благодаря своей высокой механической прочности, эластичности, стойкости к истиранию, возможности изготовления мембран с заданными характеристиками. Некоторые производители предлагают также мембраны на основе пористого поливинилиденфторида (ПВДФ).
Толщина типовой пористой мембраны всего 10 мкм, поэтому для обеспечения механической прочности такая тонкая пленка устанавливается на текстильную основу. Размер пор пористых мембран или покрытий, нанесенных на текстильную основу, варьируется от 0,1 до 50 мкм. Подход к производству пористых мембран заключается в создании микроскопических отверстий и каналов в полимерной пленке или покрытии. Максимальный размер пор на внешней поверхности барьерного слоя не превышает 2-3 мкм, обеспечивая приемлемые водонепроницаемые свойства ткани. Микропористая структура паропроницаема, то есть способна пропускать водяной пар в физиологически приемлемых нормах. Для предотвращения загрязнений микропор и поддержания высоких рабочих характеристик - ткани с пористыми мембранами покрываются силиконами или флуорокарбоном.
Гидрофильные мембраны и покрытия
Гидрофильные мембраны в большинстве своем изготавливаются из полиуретана (ПУ). У них отсутствуют микропоры, а их способность пропускать водяной пар обусловлена элементарным процессом газопроницаемости полимеров, включающим поглощение водяного пара полимером на поверхности с большей концентрацией пара, последующую направленную диффузию сквозь пленку полимера и десорбцию на стороне пленки с меньшей концентрацией водяного пара. Диффузное распространение молекул водяного пара через гидрофильную мембрану достигается включением в полимер гидрофильных функциональных групп, таких, как O-, CO-, -OH или -NH2 в блок-сополимер. Для придания гидрофильных свойств полиэфир (ПЭ) или полиуретан (ПУ) модифицируют введением полиэтиленгликоля (ПЭГ) в массовой доле до 40%. Полиэтиленгликоль образует гидрофильную часть мембраны, формируя т.н. аморфные области полимера, работающие как межмолекулярные «поры», пропускающие водяной пар, но не пропускающие жидкую воду. При появлении градиента концентрации молекулы водяного пара продвигаются через гидрофильную мембрану, занимая свободный объем между молекулярными цепочками полимера и взаимодействуя с его активными гидрофильными группами.
Гидрофильные полимеры, такие, как поливинилалкоголь или полиэтиленгликоль очень чувствительны к воде и под действием дождя могут разбухать, снижая износоустойчивость и эластичность ткани. Правильный полимер должен не только обеспечить транспорт водяного пара через мембрану, но и сохранять приемлемые механические характеристики пленки, что достигается оптимизацией гидрофильно-гидрофобного баланса.
Несмотря на вышесказанное, гидрофильные пленки, а также покрытия имеют существенные преимущества перед микропористыми материалами:
- наносятся традиционными способами, не требуют дорогостоящего точного оборудования и специального контроля, как в случае с микропористыми пленками;
- не чувствительны к загрязнениям, как микропористые мембраны, паропроницаемость которых снижается при загрязнениях от пота, поверхностными активными веществами (ПАВ), детергентами, косметическими средствами, грязью;
- сохраняют водонепроницаемость и паропроницаемость даже при трехкратном растяжении, в отличие от микропористых мембран, которые могут увеличиваться в местах растяжения одежды (например, на локтях и коленях), снижая водонепроницаемость;
- гидрофильные полиуретановые покрытия имеют хорошую адгезию с текстильной основой, стойкость к водным растворам, высокие влагоотводящие свойства, они дешевле в производстве;
- гидрофильные пленки транспортируют водяной пар более эффективно, чем микропористые мембраны, эффективность которых снижается из-за образования слоя конденсата;
- большое содержание влаги в полимере, вызванное конденсацией, пластифицирует и раздувает его, улучшая прохождение водяного пара при относительно высоких температурах, однако при низких температурах преимущества пластификации нивелируются, поэтому важно выбрать правильный подкладочный материал для оптимизации всех рабочих характеристик ткани;
- ПАВ могут приводить к протечкам в микропористых пленках, но только не в гидрофильных;
- основные преимущества гидрофильных пленок заключаются в их механической прочности, высокой ударной вязкости, ветрозащите, стойкости к химикатам, барьерных свойствах от проникновения запахов и некоторых микробов;
Водонепроницаемые ткани на основе гидрофильных мембран отличаются мягкостью, эластичностью, по тактильным ощущениям их практически невозможно отличить от обычных тканей. Возможно получение гидрофильных мембран с более высокой паропроницаемостью, чем у микропористых пленок, и с меньшим риском протекания.
Недостатки гидрофильных мембран:
- чтобы мембрана начала работать на испарение (поглощать водяной пар от тела) необходимо создать «резервуар» с паром, то есть получить градиент концентрации водяного пара на внутренней поверхности одежды или попросту хорошенько вспотеть;
- во время дождя присутствует тенденция образования влаги на внутренней поверхности пленки, из-за чего она становится холодной и липкой;
- разбухание пленки при увлажнении может вызвать шум из-за трения в складках одежды при движении;
Двухкомпонентные мембраны
Избавиться от недостатков обоих мембран можно объединив их. «Апгрейд» микропористых пленок гидрофильным слоем позволяет получить двухкомпонентную мембрану с повышенными эксплуатационными характеристиками. Такая конструкция снижает недостатки мембран обоих типов и дает заметный эффект от их комбинации:
- гидрофильный слой уплотняет микропористую основу и снижает тенденцию к протеканию через микроскопические отверстия в случае их увеличения в размерах;
- увеличенная прочность и ударная вязкость комбинированной мембраны;
- ограничивается чрезмерное растяжение, в результате которого микропоры могут начать пропускать воду;
- непроницаемый гидрофильный слой защищает микропористую пленку от загрязнений и проникновения некоторых растворителей, растительных и животных масел;
- перенос водяного пара происходит преимущественно механическим способом через поры, а не химическим через абсорбцию, что снижает разбухание мембраны и обусловленные этим шумы в складках ткани;
Умные дышащие ткани
При использовании полимеров с памятью формы получают высокоэффективные водонепроницаемые паропроницаемые ткани, способные регулировать теплопотери тела, в зависимости от окружающей температуры. Такие ткани называют «умными» за их способность регулировать и переключать перенос водяного пара.
Водонепроницаемые дышащие ткани должны соответствовать множеству других требований, помимо, водонепроницаемости и проницаемости водяных паров. К таким требованиям относятся стойкость к истиранию, механическая прочность, стойкость к стиркам и чисткам, гигиенические свойства, тепло-физиологический комфорт. Тем не менее, тремя основными характеристиками для выбора высокоэффективной водонепроницаемой ткани являются:
- водонепроницаемость: ≥ 15 000 мм H2O (JIS L1092 HSH);
- паропроницаемость: ≥ 5000 г/м2/24 ч (JIS L1099 A1);
- ветронепроницаемость: < 1,5 см3/см2/сек
Выбор мембраны в зависимости от назначения огнезащитной спецодежды
Как уже отмечено выше, большую популярность водонепроницаемые ткани приобрели, благодаря способности пористых мембран и гидрофильных покрытий пропускать водяной пар, что позволяет значительно повысить тепло-физиологический комфорт пользователя. В зависимости от типа активности тело человека может вырабатывать от 60 Вт до 1200 Вт тепловой мощности в час и производить несколько литров водяного пара. Например, пожарный может терять до 4-х литров жидкости в час при нахождении вблизи открытого пламени. Современные водонепроницаемые ткани могут испарять от 5 до 10 кг водяного пара на квадратный метр площади в сутки. Однако немаловажное значение для выбора подходящей мембраны имеет конечное применение одежды, на которой она устанавливается.
В боевой одежде пожарных требуются теплостойкие мембраны, способные отводить большое количество водяного пара, чтобы помогать охлаждению тела испарением. Как правило, такие мембраны устанавливаются на теплозащитный внутренний нетканый слой БОП из пара- и мета- арамидных волокон. Они имеют двухкомпонентный состав ПУ/ПТФЭ, в котором пористая теплостойкая тефлоновая пленка защищена сверху слоем гидрофильной мембраны из полиуретана. Как уже отмечено выше, такая двухкомпонентная конструкция повышает механические характеристики и износоустойчивость мембраны и защищает ее от загрязнений, деформации и протекания. В номенклатуре нашей компании это 3D мембрана 95/85.
В одежде от пониженных температур мембраны должны наоборот - снижать тепловые потери человеческого тела, но при этом не терять защитных и потребительских свойств на холоде. Одежда спасателей и работников морских нефтегазовых платформ должна защищать не только от непогоды, но и других опасных факторов, например, открытого пламени, повышенных температур, жидких химические вещества. Установка мембраны непосредственно на верхнюю ткань огнезащитной одежды нефтяников может снизить комфорт работника, поэтому более эффективным решением является использование огнестойкой подкладки плотностью 100-120 г/кв.м, ламинированной теплостойкой ПУ-мембраной из специального состава с температурой начала размягчения более 230ºC. Такая подкладка-мембрана позволяет сделать ветронепроницаемой и водоупорной практически любую огнезащитную одежду, а кроме того увеличивает защиту пакета от конвективного тепла и теплового излучения.
В боевой огнезащитной одежде мембраны должны быть бесшумными для снижения вероятности обнаружения противником, поэтому используются пористые ПТФЭ пленки, которые защищаются от истирания дополнительным слоем подкладочной ткани или трикотажной сеткой с высоким профилем. Такая мембрана может быть установлена на любую поставляемую нами ткань для военных применений. Специальные решения предусмотрены для огнезащитной одежды, использующейся для РХБЗ защиты.
На взрывопожароопасных объектах нефтегазового комплекса, химических производствах, предприятиях по добыче урана, а также на заводах по производству минеральных удобрений дополнительно требуется защита от жидких химических веществ, в частности от действия сильных кислот. Свойства полимеров микропористых ПТФЭ мембран эффективно используются в современной защитной одежде от сильных кислот, например, при производстве минеральных удобрений. ПТФЭ или т.н. тефлон является самым устойчивым материалам к действию сильных кислот. Трехкомпонентный ламинат Chemical Splash при плотности всего 240 г/кв.м обладает кислотонепроницаемостью к действию 94-98% раствора серной кислоты, 31% раствора фосфорной кислоты, а сильнейший раствор 56% азотной кислоты проникает на внутреннюю поверхность мембранной ткани только спустя два часа. Стоимость по настоящему огнезащитных и действительно кислотонепроницаемых тканей может достигать 100 USD за погонный метр. Это обусловлено, тем, что такая ткань должна состоять из огнестойкого слоя, ПТФЭ мембраны и трикотажного слоя, одновременно служащего защитой мембраны от загрязнений и истирания, а также обеспечивающего комфорт пользователя. Такие ткани используются для изготовления костюмов спасателей. Отечественный рынок в настоящее время ориентирован на дешевые решения на основе простых гидрофильных покрытий стоимостью по 4-5 USD за погонный метр, поэтому время высокотехнологичной ветро-, влагозащитной одежды с высокой проницаемостью водяных паров еще впереди.
© перепечатка материалов сайта без разрешения не допускается