Мембрана в одежде что это: Что такое мембрана в одежде?

© 2021 textiletrend.ru

Кому нужна мембранная одежда? | Красота и здоровье

Помните сказку про богача в шубе, который все время мерз, и бедняка, которому было жарко, хотя он и дырявый тулупчик-то снял?

Ни тот, ни другой не знали о мембранной одежде, а ведь она бы пригодилась и праздному богачу в санях, и уж тем более рубящему дрова бедняку.

Действительно, зачем мерзнуть зимой или потеть под тяжелой одёжей, если пришлось пробежаться за автобусом, когда на случай настоящей русской зимы можно обзавестись добротной зимней одеждой, в которой не потеешь, потому что пот выводится наружу, и в которой не холодно, потому что ветер туда не проникает?

Что такое мембрана? В мембранной одежде не потеешь и не мерзнешь
Фото: pixabay.com

Мембрана — это либо тончайшая плёнка, которая ламинирована (приварена или приклеена по особой технологии) к верхней ткани, либо специальная пропитка, жёстко нанесённая на ткань горячим способом при производстве. С внутренней стороны плёнка или пропитка может быть защищена ещё одним слоем ткани.

Отсюда можно сделать вывод о важном свойстве мембранной одежды — она очень легкая.

Мембраны бывают двух видов: гидропорные (самая известная — GoreTex) и гидрофильные (самая распространенная — SympaTex). Гидропорные мембраны состоят из пор, через которые влага (пот) выводится наружу, а вода снаружи не проникает. Они хорошо дышат, однако есть вероятность загрязнения пор, что повлечет за собой потерю свойств мембраны. Гидрофильные мембраны представляют собой сплошную пленку, не пропускающую воду. Здесь нечему забиться, уход за такой мембраной проще. Кстати, мембранная одежда требует особого ухода с помощью специальных средств. Под мембранную куртку нужно надеть термобелье и шерстяной свитер
Фото: pixabay.com

Как «работает» мембрана?

Если вы стали обладателем мембранной одежды, то не стоит надевать ее на хлопчатобумажную футболку и пускаться на пробежку в двадцатиградусный мороз. Так мембрана не «работает». Смысл в том, чтобы сохранить тепло внутри, выводя влагу наружу и не давая ей впитываться в одежду.

Классическая схема защиты от влаги и холода состоит из трех элементов-слоев, и мембрана — лишь один из них, кстати, самый последний.

Первый слой одежды — это термобелье (специальная тонкая одежда, которая сохраняет тепло, выделяемое телом). Термобелье только начинает завоевывать рынки, особенно российские, поэтому его можно заменить одеждой из качественной синтетической ткани. Хлопка следует избегать, так как он жадно впитывает влагу, а, следовательно, ни о каком тепле речи быть не может.

Второй слой — шерстяная одежда (с примесью синтетических тканей, отводящих влагу) или современная одежда из искусственных материалов типа флиса (Fleece) или полартека (Polartec). Немаловажно, чтобы второй слой был объемным и задерживал тепло. В мембранной одежде необходимо двигаться, иначе можно замерзнуть
Фото: pixabay.com

И только третий, внешний слой — тонкая мембранная куртка.

Если мороз слабенький, то можно обойтись лишь первым и третьим слоями, что обеспечит вам мобильность и подвижность.

И, наконец, важно понимать, за счет чего влага будет отводиться наружу. За счет разницы между давлениями воздуха под мембранной курткой и снаружи. Поэтому если вы вздумаете сидеть без движения в сугробе, надеясь на «волшебную» мембрану, есть реальный шанс основательно простудиться. Однако это вовсе не означает, что нужно носиться как угорелому в ожидании разницы давлений, чтобы мембрана «заработала». Достаточно просто более или менее активно двигаться (на всякий случай: ходьба — это тоже движение).

Неудивительно, что в последнее время очень популярной стала детская мембранная одежда (Reima, Lassie и др.). Вот уж кому актуально зимой не потеть и быть в тепле!

Подведем итог

Плюсы мембранной одежды:

• она легкая и удобная;
• в ней не потеешь и не мерзнешь;
• она подходит как для не очень холодной ветреной погоды, так и для морозной;
• под нее надо надевать меньше одежды, чем обычно.

Минусы мембранной одежды:

• она достаточно дорогая;
• требует особого ухода;
• одежда под нее должна быть особым образом подобрана;
• не подходит для любителей всего натурального.

Остается только пожелать, чтобы у каждого было то тепло, которое обещает сохранять мембранная одежда…

Что такое водонепроницаемые и дышащие мембраны — Горное снаряжение

Гидроизоляция проста: если вода с внешней стороны одежды / обуви / палатки не попадает внутрь, значит, вещь водонепроницаемая, не так ли? Ну и да, и нет. У верхней одежды есть степени водонепроницаемости, и вот почему.

Все мы знаем, что водонепроницаемая одежда — ничто без ее воздухопроницаемости. В конце концов, черный мешок для мусора водонепроницаем, но вы бы не пошли в поход, потому что потеете, как сумоист, занимающийся спиннингом в джунглях Борнео.Так что же это за мистическая воздухопроницаемость и откуда она взялась?

Проще говоря, водонепроницаемая / дышащая мембрана представляет собой очень тонкий слой вспененного политетрафторэтилена (ПТФЭ), синтетического полимера (т.е. пластиковый лист), содержащий отверстия, которые слишком малы для прохождения молекул воды, но достаточно большие, чтобы пропускать водяной пар. пройти через. Таким образом, капли дождя не могут попасть внутрь, но испарившийся пот, стекающий с вашего трудолюбивого тела, может выйти наружу. Подобрать идеальный размер отверстий, чтобы максимально увеличить объем обеих операций, сложно и дорого.Как правило, чем более воздухопроницаемая полностью водонепроницаемая мембрана, тем дороже ее производство.

Измерение водонепроницаемости

Гидростатический напор, измеряемый в миллиметрах (мм), является мерой водонепроницаемости ткани. В случае ткани толщиной 10 или 10 000 мм, если вы поместите цилиндр с внутренними размерами 1 x 1 дюйм поверх куска ткани, вы можете заполнить его водой на высоту 10 000 мм (10 м) до того, как вода станет начинают просачиваться. Чем выше число, или «водяной столб», тем более водонепроницаемая ткань.

Измерение воздухопроницаемости

Воздухопроницаемость обычно выражается в том, сколько граммов (г) водяного пара может пройти через квадратный метр (м2) ткани изнутри наружу за 24 часа.В случае ткани плотностью 20 000 г / м2 это будет 20 000 граммов влагопереноса. Чем больше цифра, тем более воздухопроницаемая ткань. Простой.

За исключением того, что эта цифра относится только к мембране, а не к готовому изделию. Оформление жакета также окажет влияние. В трехслойной куртке (3L) мембрана (средний слой) приклеивается к внешней лицевой ткани и к защитному внутреннему тканому слою. В 2,5-слойной куртке тканый слой заменяется «половинным» слоем с трафаретной печатью для защиты мембраны.Это более легкий раствор, но он также не защищает мембрану, а также не вызывает такого приятного ощущения на коже, часто описываемого как «липкий». Как правило, трехслойная одежда более воздухопроницаема.

Последнее, что нужно учитывать, — это DWR или Durable Water Repellency, химическая обработка, которая применяется к внешней стороне водонепроницаемой одежды для того, чтобы вода скатывалась и скатывалась. Эта обработка со временем стирается, и, хотя ее исчезновение никоим образом не влияет на характеристики мембраны, без нее дождь будет стекать в ткань лица и значительно ухудшить воздухопроницаемость одежды.Поэтому, чтобы обеспечить максимальную воздухопроницаемость вашей куртки, вы должны стирать ее в специальном мягком моющем средстве, чтобы поддерживать DWR и регулярно проверять ее.

Теперь, когда вы знаете, что происходит, в следующей таблице перечислены некоторые распространенные марки мембран, которые вы можете встретить в Австралии, а также их рейтинги водонепроницаемости и воздухопроницаемости. Надеюсь, это даст вам представление о том, что искать в следующий раз, когда вы меняете куртку, брюки или ботинки.

Автор: Дэн Слейтер

Введение мембраны для одежды из ПТФЭ

Люди, которые делают одежду, должны хорошо понимать мембрану для одежды из ПТФЭ.Как правило, ткань одежды не имеет такой мощной функции, как тканевая мембрана из ПТФЭ. Для изготовления микропористой мембраны из ПТФЭ используется специальный процесс: каландрирование, экструзия, двунаправленное растяжение и другие методы, а затем вторичная мембрана смешивается с различными текстильными тканями методом клея с образованием политетрафторэтиленовой пленки. Ткань обладает особыми эффектами водонепроницаемости, влагопроницаемости, ветроустойчивости и сохранения тепла. Он широко используется в спортивной одежде, холодной одежде, военной, пожарной, общественной безопасности, медицинской, биохимической и другой специальной одежде, обуви и головных уборах, перчатках, спальных мешках, палатках и т. Д.

1. Водонепроницаемость
Водонепроницаемость означает, что вода с внешней стороны ткани не проникает внутрь ткани и не впитывается внутрь. Композитная ткань из ламината PTFE остается водонепроницаемой даже при давлении, эквивалентном 10-метровой глубине воды. Наденьте тканевую одежду, даже если вы стоите в шторм и сидите на мокрой поверхности, люди не будут чувствовать себя мокрыми. Причина, по которой тканевая одежда выполняет такую ​​магическую функцию, в основном заключается в том, что диаметр микропор пленки PTFE основной части ткани составляет 1×5000-120000 диаметра капель воды, поэтому даже самые маленькие капли дождя не могут пройти.Поверхностная энергия ПТФЭ мала, капли воды не могут растекаться по пленке, не позволяя каплям воды проходить сквозь нее.

2. Влагопроницаемость

Пористость водонепроницаемой дышащей мембраны из ПТФЭ достигает 80%, а средний размер пор составляет 0,2 мкм. размер пор PTFE мембраны в 700 раз больше, чем у молекул водяного пара, и молекулы водяного пара могут свободно проходить сквозь них.

3. Ветрозащитные свойства
В процессе растяжения мембрана из ПТФЭ образует микропористую структуру, узлы которой соединены множеством микроволокон.Между микроволокнами образуются поры, которые соединяются друг с другом, образуя уникальную сетчатую структуру. Ветер не может проходить напрямую, барьер столкновения изменит направление, чтобы повернуть назад, эффективно предотвращая проникновение воздуха, поэтому он имеет отличные ветрозащитные характеристики.

4. Эффективность сохранения тепла
Проницаемая мембрана из ПТФЭ имеет отличную влагопроницаемость, которая может вовремя передавать пар, выделяемый из человеческого тела, в микроклимат, предотвращать конденсацию водяного пара в жидкую воду и уменьшать возможность проводимости воды. нагревать.Хотя поверхность мембраны плотная с большим количеством микропор, ветер не может проникнуть внутрь, эффективно предотвращая конвекцию воздуха. Испытания показали, что при сильном ветре 25 м / с теплоизоляционный эффект композитной ткани PTFE на 30-40% выше, чем у традиционного пуховика.

5. Антиядерные биохимические характеристики

Мембрана из ПТФЭ имеет небольшой размер пор (средний диаметр пор 0,2 мкм), что блокирует проникновение некоторых токсичных газов или аэрозолей, а низкая поверхность может препятствовать проникновению некоторых токсичные жидкости.Непористый материал с высоким потоком водяного пара нанесен на одну сторону пленки для реализации избирательной инфильтрации водяного пара и достижения цели полной защиты. Одежда для ядерной и биохимической защиты, обработанная композитной тканью PTFE, может быть водонепроницаемой, влагопроницаемой, ветрозащитной, ядерной и биохимической.

Studio Membrane, чистая философия для новой эко-моды — Sustainable Fashion

Философ новой эко-моды

Его последняя коллекция была Behind Useless Shape .В этой коллекции Хирокай сосредоточился на идее «эстетической красоты, скрытой в бесполезной форме». Резать. Собрать. Закрепить. «Просто повторяя эту серию действий, одежда приобретает форму. В отличие от одежды, сделанной с узорами, между тканью и телом будут промежутки; другими словами, в этом смысле есть пустота или расточительство. Однако при изготовлении одежды нет отходов. В формировании отходов есть красота того, что ничего не остается позади. Основательно рассмотрев, как шить одежду, я хотел бы предложить новые отношения между одеждой и телом ».

«Я считаю, что дизайнерам важно сотрудничать с инженерами и профессионалами в области экологической этики для будущего подлинной, фундаментальной эко-моды».

Тема новой работы Хироаки Танаки, о которой будет объявлено на EFWA2018 , — это Когти одежды : «Я считаю одежду своего рода формой жизни и выражаю процесс, посредством которого одежда развивается, меняя форму. . Если одежда считается формой жизни, каковы когти предмета одежды? Если бы у одежды были когти, как бы это изменило их состояние существования? ».

Эта идея была предложена профессором Синдзи Хираи и его командой из Технологического института Мурорана и их исследованием «белковой смолы». Если сжать шерстяную ткань и нагреть ее, содержащийся в шерсти кератин превращается в смолу. (Кератин — это тот же белок в ногтях или когтях.) Это смола животного происхождения, не является материалом нефтяного происхождения и поддается биологическому разложению. У этого материала большой потенциал. Однако делать из него изделия очень дорого.Вот почему и им нужна финансовая помощь.

«Я понимаю, что без совета экспертов трудно понять понятие« экология », исключенное из текущих тенденций, и получить точные факты, касающиеся« экосистемы »».

В завершение интервью мы спросим Хироаки Танака об именах, которые, по его мнению, являются великими супергероями устойчивого мира: «Во-первых, Коко Шанель , освободившая женщин от корсета. Во-вторых, Issey Miyake , который продемонстрировал одну точку прибытия для обертывания одежды вокруг тела с использованием красивых технологий A-POC и складок.Это обе истории о модернизации технологических достижений, но в то же время меня вдохновляют разные этнические группы, включая аборигенов и айнов и их традиционные костюмы. Кроме того, г-жа Зухал из EFWA и профессор Синдзи Хираи из Технологического института Мурорана — мои большие соратники в размышлениях об экологии.

«Имейте свою собственную философию и воспользуйтесь опытом инженерных экспертов.Вам нужно набраться смелости, чтобы обновить свой образ мышления в сотрудничестве с разными областями, сохраняя при этом собственное видение ».

+ info:

Разработка синтетических мембран для одежды и обуви

Григорий Коваленко ¹ , Елена Бокова ¹ , Мария Павлова ²
Московский государственный университет дизайна и технологий, Россия, г. Москва, Садовническая улица, 33-1
² Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im.Kazimierza Pułaskiego w Radomiu., Jacka Malczewskiego 29, Radom, Poland

В рамках данной работы проводились систематические исследования по разработке синтетических материалов мембранной обуви и гардеробных. Объекты исследования: из растворов полиуретанов синтезирован двухстадийный синтез на основе 4,4-дифенилметандиизоцианата и различных олигоэфиров — простых (политетраметиленгликоль) и сложных (адипат полиэтиленбутиленгликоля) при соотношении NCO: OH. = 1: 1; и нетканый материал, полученный методом электропрядения из раствора полиамида.Условия получения мембранного материала с пористостью 96-98% и удельной поверхностью 23-24 м ² / г. Наличие в мембранных материалах развернутых порах диаметром от 0,01 до 1,41 мкм, что является суммарным вкладом ряда микроволоконных структур, пор, образованных путем фазового разделения растворов полиуретанов в среде, не являющейся растворителем. , а также дополнительные системные микропоры при локальном отслоении полимера от волокнистой матрицы.

Технология производства мембранных материалов для обуви и одежды, обладающих высокими эксплуатационными свойствами: паропроницаемость — 4,4-5,8 мг / (см. ² · час), гигроскопичность — 8,6-10%, водопропускная способность — 98-99%, предел прочности при растяжении — 6-6,4 МПа, относительное удлинение — 210-240%.

Ключевые слова: мембрана , синтетическая кожа, полиэфируретан, электроспиннинг, фазовое разделение, паропроницаемость

Мембраны — это высокотехнологичный продукт межотраслевого применения, без которого невозможно прорывное развитие базовых и высокотехнологичных секторов экономики, наука, а также эффективное решение важных задач социальной и экологической проблематики невозможно. [1].

Крупнейшими производителями мембранных материалов, различающихся по своим свойствам, за последние пять лет являются такие компании, как W.Л. Гор, Dermizax (Spyder, Descente), AWT (Killy), DIAPLEX (Phenix), Venture (Schoffel), Helly Tex (Helly Hansen), Sensor Tex (Volkl), ATX (EVF).

Достаточно большой сегмент рынка занимают мембранные материалы для производства одежды и обуви. По мнению ряда производителей, такие мембраны представляют собой достаточно большой ассортимент водонепроницаемых и дышащих полимерных материалов, предназначенных для экстремальной и высокофункциональной одежды и обуви. [2]

Из литературы известно, что существуют различные методы изготовления (формирования) мембран, такие как экструзия, ламинирование, спекание, электроспиннинг, разделение фаз и т. Д.Последние два являются наиболее распространенными методами получения материалов для одежды и обуви, поскольку они обеспечивают возможность широкого изменения морфологии и пористости и позволяют формировать мембрану с градиентной системой пор.

Таким образом, с помощью метода [3] фазового разделения раствора полиуретана в диметилформамиде была приготовлена ​​серия мембран для производства одежды и обуви и влияние температуры фазового разделения на пористую структуру, механические свойства и газопроницаемость. был изучен.

В процессе [4] полиуретановые мембраны были изготовлены методом электроспиннинга. Авторы исследовали санитарные свойства мембран; они доказали его высокую проницаемость для кислорода и контролируемую проницаемость для водяного пара.

Авторами [5] была получена водонепроницаемая воздухопроницаемая мембрана, представляющая собой композиционный материал, состоящий из синтетического текстиля с покрытием из нетканого материала. Нетканый материал был получен из раствора полиэфируретана (ПЭУ) в диметилацетамиде с помощью электропрядения. метод.Композиционный материал показал высокую воздухопроницаемость, паропроницаемость и изоляционные свойства, но имел меньшую водостойкость (водостойкость) по сравнению с пленочными мембранами, полученными методом разделения фаз.

На основании анализа литературных данных очевидно, что мембранный материал для одежды и обуви должен обладать рядом особых свойств, таких как паро- и газопроницаемость, долговечность, водонепроницаемость, прочность и т. Д. Такой набор эксплуатационных характеристик может достигается только за счет создания композиционных полимерных материалов.

Целью работы является разработка научных основ и технологических решений для получения мембранных материалов ПЭУ типа «синтетическая кожа» на основе нетканого волокнистого полотна, полученного методом электроспиннинга.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для получения нетканого материала методом электроспиннинга использовали: полиамид 6/66, синтезированный на основе AH-соли (соли гексаметилендиамина и адипиновой кислоты) и ε-капролактама.Молекулярная масса продукта — 30 кДа.

Для приготовления пропиточного раствора использовали полиэфируретан (ПЭУ) Vitur TM-0533-90 (Россия), полученный одностадийным синтезом при взаимодействии с 4,4′-дифенилметандиизоцианатом и полиокситетраметилэтиленгликолем (олигомер тетрагидрофуран) (соотношение NCO: OH — 1: 1, средняя молекулярная масса продукта — 40 кДа) и полиэфируретан (ПЭУ) Vitur P 0112 (Россия), в результате которого получен двухстадийный синтез при взаимодействии с 4,4 ′ — дифенилметандиизоцианатом и полиэтиленом. адипат бутиленгликоля (соотношение NCO: OH — 3: 1, средняя молекулярная масса продукта — 30 кДа).N, N-диметилформамид использовали в качестве растворителя для PEU.

Исследование структуры нетканых материалов определяли на приборе для сканирующей электронной микроскопии «PHENOM» (США). Поверхность измеряли согласно ISO 9864-90, насыпная плотность — в соотв. согласно ISO 9073-2: 1995. Проведено исследование структуры материалов мембран: методом низкотемпературной адсорбции азота с помощью прибора Gemini VII 2390, производства компании «Micromeritics» (США). Паропроницаемость мембраны определялась в соотв.по ISO 2528, гигроскопичность и водоотдача — в соотв. по ИСО 811-81, сорбционная емкость — в соотв. согласно ISO 12500-2-2009. Физико-механические свойства материалов мембран измеряли в соотв. согласно ISO-4674.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Одним из основных несущих элементов современных мембранных материалов, таких как «синтетическая кожа», являются нетканые волокнистые основы, полученные аэродинамическим методом формирования полотна из смеси полиэстера и полипропилена (70:30) волокна с последующей прошивкой и термоусадкой.Такие материалы имеют достаточно большую толщину около 7 мм, поэтому необходимо зачистить их на 2-3 слоя. Линейная плотность отдельных волокон в таких тканях составляет от 0,33 до 0,44 текс, поверхностная плотность — 350-700 г / м ² , насыпная — 150-220 кг / м ³ , общая пористость — 76-80%.

В настоящее время в производстве синтетической кожи все большее значение приобретают мультифибриллярные волокна с линейной плотностью 0,1 — 0,01 текс и диаметром в несколько микрометров, получаемые из двухкомпонентных волокон «матрицы» (напр.например, полиэтилен высокого давления) — «фибрилла» (например, полиэфир) путем экстрагирования «матричного» кипящего органического растворителя (например, ксилола, толуола и т. д.) в уже сформированную и обработанную полимерным связующим нетканую основу.

Этот достаточно сложный с точки зрения экологической безопасности технологический процесс направлен на уменьшение размерных характеристик волокон в нетканом полотне, изменение структуры нетканых полотен, увеличение их общей пористости (90-95%), гетеропористости, удельной поверхности. , паропроницаемость без изменения гидрофильности и сорбционной активности по отношению к водяному пару.

Для решения подобных проблем был использован метод электропрядения нетканых материалов как один из возможных способов получения высокопористых структур из широкого спектра полимеров, в том числе гидрофильных.

При выборе прядильного раствора для электропрядения предварительным условием являлась необходимость условия нерастворимости нетканого полотна в диметилформамиде (ДМФА) с учетом его последующей пропитки раствором полиэфируретана (ПЭУ), а также обеспечения гидрофильных материалов, подготовленных для его комфортная работа в контакте с человеком.Раствор полиамида ПА 6/66 в смеси этанол (70 мас.%) — вода (30 мас.%) Был выбран из широкого спектра проанализированных полимерных растворов, используемых для получения материалов методом электроспиннинга и удовлетворяющих этим требованиям. .

Нетканые материалы получены в лаборатории аэрозолей ФХТИ им. Карпова (НИФХл) с помощью Nanospider ^TM (Elmarco, Чехия) по следующим параметрам: концентрация раствора полиамида — 15%. , вязкость раствора — 0.4 Па • с, проводимость — 0,11 см / м, напряжение — 30В, объемный расход 30 мл / час, расстояние между электродами — 20 см. Структура сформированного полотна представлена ​​на рис. 1

Диаметр волокон в таком материале составляет от 0,8 до 1,3 мкм. Насыпная плотность составляет 100-110 кг / м ³ , поверхностная плотность — 25-30 г / м ² , что примерно в 25 раз меньше, чем у нетканых полотен, полученных методом прошивки.

Анализ современных синтетических кож показывает, что общий вклад в структуру, свойства и поведение при эксплуатации вносят нетканая основа, полимерное связующее и окончательная морфология материала, образованного в результате пропитки, разделения фаз и последующей промывки. и сушильные операции [6].

Для пропитки нетканых основ использовали 15% растворы ПЭУ Витур ТМ-1413-85 и Витур 0533-90-ТМ в ДМФА. В качестве коагуляционной ванны использовали 30% раствор ДМФА в воде при 20 ± 5 ° C.Промывка проводилась водой при Т = 20 ± 5 ° С, а сушка — в термокамере при температуре 100 ± 10 ° С. При выборе температуры фазового разделения наблюдалась нежелательная усадка гидрофильной основы нетканого материала на Учитывалась стадия пропитки и фазового разделения.

На рис. 2 представлены микрофотографии структуры мембранных материалов, таких как «синтетическая кожа».

Отличительной особенностью полученных в процессе мембран является наличие ярко выраженной волокнистой структуры в микропористой матрице ПЭУ, а также отсутствие выраженного поверхностного градиентного слоя практически во всех образцах. особенности пропитки ультратонких нетканых полотен и кинетические факторы в процессе структурообразования на стадии фазового разделения растворов ПЭУ.Быстрая равномерная пропитка, практически одновременное разделение фаз по всему нетканому полотну, состоящему из ряда микроволокон, приводит к получению материалов, схожих по внешнему виду и органолептике с натуральной кожей.

В ходе исследований установлено, что в результате обработки нетканой основы полимерным связующим методом пропитки с последующим фазовым разделением в среде без растворителей диаметр волокон в полуфабрикате из синтетической кожи после высыхания практически не меняется и составляет около 1.3-1,5 мкм.

Однако на фотографиях ясно видно наличие дополнительных микропустот между микроволокнами и астабилизированным полимерным связующим, что является следствием отделения гидрофильных волокон от гидрофильно-гидрофобной полимерной матрицы в процессе сушки. Удельную поверхность материалов мембран и размеры пор измеряли методом низкотемпературной адсорбции азота. Для образцов на основе растворов ПЭУ Витур ТМ-1413-85 удельная поверхность составляет 24,1 м ² / г с соотношением 0.989, а для образцов на основе ПЭУ ТМ-0533-90 — 23,9 м ² / г с соотношением 0,992. В разработанных синтетических кожах диаметром от 0,01 до 1,41 мкм определяется наличие пор, что является суммарным вкладом пор в структуру микроволокон, образующихся в результате стабилизации растворов ПЭУ, а также дополнительной системы микропор, которые образуются в процессе сушки из-за разнонаправленного действия сил сокращения капилляров.

В таблице 1 приведены показатели эксплуатационных свойств мембранных материалов типа «синтетическая кожа».

Высокие уровни паропроницаемости, гигроскопичности, водоотдачи Полученные в работе мембранные материалы связаны с формированием сильно открытой пористой структуры, состоящей из гидрофильных полимерных микроволокон. Высокие показатели прочности на разрыв при малой толщине этих материалов обеспечиваются большим привесом связующего в экспериментальных синтетических мембранных материалах (до 2 г / г), наличием армирующего компонента в виде твердого тела по сравнению с полипропиленом. и полиэфирные, полиамидные волокна, другой механизм деформации и разрушения гальванических полотен по сравнению с иглопробивными тканями.

В целом доступность получаемых материалов вместе с гетеропористой структурой, развитой системой микропор, гидрофильным волокнистым каркасом, а также высокие гигиенические свойства позволяют создавать высокоэффективные «умные» материалы, тесно сотрудничая с человек.

ВЫВОДЫ

1. Были проведены систематические исследования и научно обоснованный подход к получению мембранных материалов, таких как «синтетическая кожа» на нетканой основе, сформированной методом электропрядения, и растворов ПЭУ, пропитанных в структуру нетканого материала. ткань путем разделения фаз в среде, не содержащей растворителей.

2. Разработаны также условия изготовления мембран на нетканой основе из раствора полиамида 6/66 и новых марок ПЭУ (Vitur TM-1413-85 и Vitur TM-0533-90).

3. Выявлено, что пористость полученного мембранного материала (~ 96-98%) соответствует пористости синтетической кожи, содержащей микрофибриллярные волокна, а удельная поверхность составляет 23-24 м ² / г, что намного выше, чем у промышленного аналога.

4. Предложена также модифицированная технология производства мембранных материалов, позволяющая расширить ассортимент конкурентоспособных синтетических кож с гетеропористой структурой, кожеподобными органолептическими свойствами и высокими эксплуатационными свойствами, такими как: паропроницаемость — 4,4-5,8 мг / кг. (см ² в час), гигроскопичность — 8,6-10%, водопропускная способность — 98-99%, предел прочности при растяжении — 6-6,4 МПа, относительное удлинение — 210-240% без дополнительных затрат и увеличения экологических рисков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://www.memtech.ru/index.php/ru/glavnaya/publications/98-membrany-i-nanotekhnologii. Дата последнего обращения: 20.01.2016

2. http://www.keeptex.ru/dealer/membrany_porelle/. Дата последнего доступа: 21.01.2016

3. Опреа С., Чобану С. 2008. Влияние температуры образования полиуретановой мембраны мокрым литьем на физико-механические свойства.

   Высокоэффективные полимеры , 20 (2): 208-220

4. Мён-Сеоб Хил, Донг-Иль Ча, Хак-Йонг Ким, Ин-Шик Ким, Нараян Бхаттарай.2003. Электропряденая нановолоконная полиуретановая мембрана в качестве перевязочного материала.

   Journal of Biomedical Materials Research, Part B: Applied Biomaterials, Volume 67B, Issue 2: 675–679.

5. Юн К. К., Хи Ч., Ким Дж., Кан Т. Дж. 2007. Применение электропряденого полиуретанового полотна для создания воздухопроницаемых водонепроницаемых тканей.

   Волокна и полимеры , Том 8, Выпуск 5: 564-570.

6. Бокова Е.С., Коваленко Г.М., Лаврентьев А.В., Калинин М.В. 2015. Целенаправленное управление процессом структурообразования при производстве новых синтетических кож.

   Fiber Chemistry , Volume 46, Issue 5: 312-316.

Picture Organic Clothing представляет экологически безопасную мембрану на биологической основе в новой зимней верхней одежде

Получите доступ ко всему, что мы публикуем, когда вы подпишитесь на Outside +.

Любители активного отдыха часто считают себя защитниками окружающей среды, но не всегда у них такое экологичное снаряжение. Возьмем водонепроницаемые оболочки: создание средней водонепроницаемой / дышащей мембраны дорого обходится окружающей среде.В их основе не только невозобновляемый пластик на нефтяной основе, но и используются токсичные перфторированные соединения или ПФУ, которые не разлагаются при попадании в окружающую среду.

И хотя отрасль начинает отказываться от использования первичного пластика по мере того, как все больше брендов используют переработанные материалы в одежде и аксессуарах, некоторые компании рассматривают следующий шаг в области устойчивого развития.

Запущенный в 2019 году бренд одежды для зимних видов спорта Picture Organic Clothing выводит на рынок свою первую мембрану на биологической основе с коллекцией верхней одежды из экологически чистых источников. Эта биопленка, получившая название Dryplay Biosource, на 30% состоит из касторового масла и на 70% из переработанного ПЭТ, кроме того, она водонепроницаема и имеет рейтинг воздухопроницаемости 20K, как и ее аналоги на основе полиуретана. Бренд создал ее в партнерстве с химической компанией Arkema. сосредоточены на инновационных материалах.

«Разница — это только основа того, из чего она сделана», — объясняет представитель по связям с общественностью Маро ЛаБланс.«На самом деле она работает так же, как и обычная мембрана, и такая же долговечная, как и обычная мембрана».

Так почему не все его используют? Одним словом, цена. Эта технология может увеличить стоимость комплекта примерно на 25%. «Picture Organic сосредоточится на снижении стоимости технологии», — говорит ЛеБланс. «Они хотят, чтобы экологически чистые варианты были более доступными». Компания уже работает над своей линией одежды 2021 года и активно работает над снижением цен в предстоящие сезоны.

Эта многообещающая технология не нова.Одежда Castor seed появилась в 1950-х годах, но исчезла из дизайна, поскольку в центре внимания оказались пластмассы. И The North Face предприняли собственный удар по аналогичной мембране еще в 2011 году, выпустив мембрану с 50-процентным содержанием касторового масла в своей Venture Jacket.

Но с тех пор ни один другой бренд товаров для наружной рекламы не использовал эту технологию. Итак, Picture Organic делает рывок, запустив Dryplay Biosource в своих новых мужских куртках и нагрудниках Harvest (499 и 399 долларов), что делает их самыми дорогими предметами одежды бренда.Дополнительная экологическая оценка: набор Harvest также на 58 процентов состоит из переработанного полиэстера.

«Основная задача Picture Organic — избавиться от зависимости от продуктов на основе нефти», — говорят в LeBlance, и линия Harvest — это ее первый шаг. Ожидайте, что в ближайшие сезоны мембрана Dryplay Biosource выйдет за пределы своей коллекции Lab и постепенно превратится в традиционную линию Picture Organic.

And Picture Organic не оставляет эту инновационную технологию при себе. «Их так сильно волнует, что они не оставляют его в собственности», — говорит Эрик Карпентер, торговый представитель Picture Organic на Восточном побережье.Он говорит, что бренд ведет переговоры с другими ведущими брендами об использовании технологии для уменьшения зависимости от полиуретана, включая Patagonia. «

Отрасль в целом должна обратить внимание на биологические материалы, чтобы мы не полагались на ископаемое топливо », — говорит ЛеБланс. И поскольку Dryplay Biosource присоединяется к другим пост-нефтяным инновациям на рынке, таким как новый биоразлагаемый утеплитель и флисовые материалы PrimaLoft, похоже, что у нас хорошее начало.

Новые разработки в области использования электропряденых волокон и мембран для защитной одежды

Abstract

Возрос интерес к разработке защитных тканей и одежды для защиты пользователя от таких опасностей, как химические, биологические, тепловые, УФ, загрязняющие вещества и т. Д.Защитные ткани традиционно разрабатывались с использованием самых разных технологий. Однако этим обычным защитным тканям не хватает воздухопроницаемости. Например, обычные защитные ткани обеспечивают хорошую защиту от воды, но обладают ограниченной способностью удалять водяной пар и влагу. Волокна и мембраны, изготовленные с помощью электроспиннинга, продемонстрировали огромный потенциал для создания защитных тканей и одежды. Эти ткани на основе электропряденых волокон и мембран обладают потенциалом для обеспечения теплового комфорта для пользователя и защиты его от широкого спектра опасностей окружающей среды.В этом обзоре освещаются новые области применения электроспиннинга для создания таких воздухопроницаемых и защитных тканей.

Ключевые слова: электроспиннинг, защитные ткани, текстиль, защитная одежда, волокна

1. Введение

Развитие нанотехнологий вдохновило ученых-материаловедов на изучение использования наноразмерных материалов и волокон для разработки функционального и технического текстиля [1, 2,3,4,5]. Разработка современных текстильных изделий и тканей, обеспечивающих защиту от ультрафиолета, бактерий, микробов, дождя и воды, представляет огромный интерес для персонала, работающего в таких секторах, как здравоохранение, сельское хозяйство, армия и т. Д.[3,4,6,7,8,9]. Традиционно в качестве материалов, используемых для изготовления защитной одежды, использовались непроницаемые пленки [10]. Хотя эти материалы показали значительный успех в блокировании загрязняющих веществ и абсорбции любых проникших токсинов, они громоздкие и тяжелые [10]. Кроме того, пропускание водяного пара через традиционные материалы оставляет желать лучшего. Точно так же непроницаемые ткани на основе полимерных пленок обеспечивают хорошую защиту, но, как обнаружено, не обеспечивают комфорт для пользователя в жаркой и влажной среде.С другой стороны, микропористые нетканые мембраны вызвали огромный интерес при разработке защитной одежды, поскольку они недороги, легки и обеспечивают отличную защиту [3,11]. Воздухопроницаемость или воздухопроницаемость этих пористых нетканых мембран можно улучшить, задав размер пор внутри мембран [4,11].

В последнее время электроспиннинг привлекает повышенное внимание при разработке защитной одежды, так как он позволяет гибко контролировать пористость и размер волокон.Таким образом, мембраны, полученные с помощью электропрядения, могут демонстрировать высокую эффективность фильтрации и хорошую воздухопроницаемость [2,12]. Прямой и простой подход к включению электропряденых волокон в текстиль включает электропрядение волокон непосредственно на поверхности ткани для получения композитной ткани. Такой подход нанесения волокон на поверхность ткани сокращает количество этапов изготовления и в то же время устраняет проблемы, связанные с герметизацией швов. Как правило, большинство воздухопроницаемых и водонепроницаемых тканей представляют собой композитные ткани, которые производятся путем ламинирования различных слоев ткани вместе.Слой электропряденой мембраны можно использовать для замены функционального слоя в этих композитных тканях. Например, Vitchuli et al. разработали материал для одежды для защиты от боевых химических и биологических агентов путем электропрядения волокон нейлона 6 непосредственно поверх нейлоновой / хлопчатобумажной ткани [13]. Их результаты показали, что эффективность фильтрации может быть улучшена более чем на 250%, если на ткань нанести слой волокна нейлона 6, полученного методом электропрядения. В другом исследовании Lee et al. осажденные полиуретановые волокна, наполненные наночастицами оксида цинка, на хлопчатобумажной ткани для создания композитной ткани, обеспечивающей защиту от бактерий и ультрафиолета [4].В других исследованиях использовался двухэтапный подход для включения электропряденых волокон в текстиль. На первом этапе установка электропрядения модифицируется для производства пряжи. На втором этапе эта пряжа включается в традиционный текстиль с использованием таких методов, как плетение, ткачество и вязание, для придания ткани некоторой функциональности. Например, Wu et al. [14] на первом этапе использовали электропрядение для получения полиакрилонитрильной (ПАН) пряжи. Эти нити затем используются для производства тканей с использованием таких методов, как ткачество, вязание и плетение.Их результаты показывают большой потенциал использования электропряденой пряжи для производства защитных тканей. Аналогичным образом Valtera et al. [15] производили композитную пряжу с помощью электропрядения и использовали эту пряжу для производства защитных тканей. В их исследовании безыгольная фильера, подключенная к источнику переменного тока, используется для создания шлейфа из нановолокон. Эти нановолокна наматываются на обычную нить для получения композитных нитей.

В этой обзорной статье представлен обзор использования электропряденых волокон, мембран и пряжи для разработки защитных тканей и текстиля.Эти ткани и текстильные изделия, содержащие электропряденые волокна, обладают потенциалом обеспечения теплового комфорта для пользователя и могут защитить его от широкого спектра опасностей окружающей среды. В этой статье представлены различные методы, которые используются для интеграции электропряденых волокон, мембран и пряжи в ткани. Также представлено применение этих тканей с возможностью электропрядения для защиты от вредных воздействий окружающей среды. Наконец, обсуждаются будущие перспективы использования электроспиннинга для разработки умных тканей.

2. Интеграция электроспиннинга с текстилем

Полимерные волокна с диаметром от субмиллиметра до микрона часто используются в традиционных тканях [16,17]. В последнее время электроспиннинг обнаружил повышенный интерес к производству текстиля, поскольку включение нановолокон в традиционный текстиль может придать текстилю некоторые уникальные функциональные свойства [2,4,18]. Например, встраивание нановолокон в традиционный текстиль может придать текстилю некоторые уникальные функции, такие как самоочищение, водоотталкивающие свойства, огнестойкость и т. Д.В этом разделе обсуждаются некоторые подходы, используемые для включения электропряденых волокон в текстильные изделия и одежду.

2.1. Пряжа

Традиционно текстильные изделия производятся с использованием пряжи, вытянутой из хлопковой пушистой массы и намотанной в катушки [19]. Эта пряжа состоит из хлопковых волокон микронного или крупного размера. Однако с развитием нанонауки текстильная промышленность уделяет внимание производству и внедрению нановолокон в текстиль [20]. Хорошо известно, что с отдельными нановолокнами трудно обращаться.Следовательно, их нельзя использовать непосредственно в ткачестве или вязании для производства тканей или текстильных изделий. Узлы линейных волокон, которые получают путем сбора выровненных нановолокон или узлов пряжи, полученных путем скручивания нановолокон, обеспечивают пригодность нановолокон для ткачества или вязания. За последнее десятилетие исследователи модифицировали установку электропрядения для производства нановолоконной пряжи или линейных узлов нановолокон. Например, мы модифицировали установку электропрядения для сбора линейных сборок нановолокон [21,22].Схема модифицированной установки электропрядения, используемой для сбора линейных сборок нановолокон, представлена ​​на рис. Здесь волокна сначала откладываются на поверхности воды. Затем их вытягивают и наматывают на механический барабан. Этот процесс привел к выравниванию волокон и позволил нам собрать выровненные сборки волокон.

Модифицированная установка электропрядения для сбора линейных сборок нановолокон. Перепечатано из Macromolecular Materials and Engineering , Vol. 297, Avinash Baji, Yiu-Wing Mai, Xusheng Du, Shing-Chung Wong, Повышенная прочность на разрыв и содержание сегнетоэлектрической фазы в самосборных пряжах из поливинилиденфторидного волокна, 209–213, Copyright (2012), с разрешения John Wiley and Sons .

Другие получили нановолоконную пряжу с использованием установки сопряженного электропрядения [23,24,25]. Вкратце, растворы полимеров подают в две разные фильеры, которые индивидуально подключены к положительному и отрицательному источнику высокого напряжения. Волокна наматывают на металлическую воронку, а затем вытягивают изолирующим стержнем. Вращение металлической воронки помогает скручивать пучки волокон. На заключительном этапе пучки волокон в виде пряжи наматываются на намотчик пряжи.показана схема установки сопряженного электропрядения, используемой для производства нановолоконной пряжи. Затем эти нити переплетаются в ткани.

Установка сопряженного электропрядения для производства нановолоконной пряжи. Печатается по материалам RSC Advances , Vol. 5, Чжиган Се, Хайтао Ню, Тонг Лин, Непрерывная пряжа из полиакрилонитриловых нановолокон: подготовка и обработка сухой вытяжкой для производства углеродных нановолокон, 15147–15153, Copyright (2015), с разрешения Королевского химического общества.

Подобная установка используется для первого производства полиакрилонитрильной (ПАН) пряжи [14]. После этого традиционная текстильная машина используется для производства тканей из пряжи PAN. Эти пряжи PAN затем плетут, переплетая три или более пряжи, чтобы получить цилиндрические узоры. Пряжа PAN также используется для производства тканей с помощью техники ткачества. Вкратце, нити основы предварительно растягивают на ткацком станке. На следующем этапе уточные нити переплетаются в перпендикулярном направлении.Джозеф и др. [18] получили пряжу с использованием электропрядения в сочетании с методом осаждения без подложки. Здесь, вместо использования воронки, волокна электроспрядены на гибкий металлический электрод, расположенный так, что он образует открытый каркас воронки. Затем волокна вытягиваются в виде пряжи и наматываются на намотчик пряжи. После этого используется промышленная текстильная машина для скручивания, плетения и плетения пряжи для производства различных видов конструкций. Они показывают, что полые конструкции с открытыми концами могут быть изготовлены путем плетения пряжи.Эти конструкции демонстрируют огромный потенциал для применения стентов и сосудистых трансплантатов. показывает изображение тканой конструкции, полученной с использованием этих нитей, на сканирующем электронном микроскопе (SEM). Утверждается, что эти тканые структуры обладают огромным потенциалом для имплантатов, доставляющих лекарства.

Изображение тканой структуры, полученное на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) с использованием электропряденой пряжи. Перепечатано с разрешения Джона Джозефа, Шантикумара В. Наира, Deepthy Menon, Интеграция бесподложного электропрядения с текстильной технологией для создания биоразлагаемых трехмерных структур, Nano Letters 2015 , Vol 15, 5420–5426.Авторское право (2015 г.), Американское химическое общество.

2.2. Нетканые материалы

Традиционно нетканые материалы производятся путем расширения пены до тех пор, пока полимер не превратится в волокна [26]. Известно, что этот процесс дает большое количество волокон [27]. Хотя диаметр волокон может составлять около 100 нм, волокна смешаны с неволокнистыми фазами полимера. Такие мембраны использовались для производства функциональной одежды. Например, полиуретановые и политетрафторэтиленовые (ПТФЭ) мембраны используются для производства ветроустойчивой, а также водостойкой одежды.Альтернативный подход, основанный на электропрядении, вызвал всеобщий интерес к производству нетканых материалов, поскольку этот процесс является быстрым, простым и масштабируемым [28,29,30]. Присущее им высокое отношение площади поверхности к объему и небольшой размер пор делают электропряденые нетканые материалы подходящими для фильтрации и биомедицинских применений, таких как перевязка ран и применение тканевых каркасов. Пористая природа нетканых мембран, полученных с помощью электропрядения, гарантирует, что они обеспечивают хорошую стойкость к потенциально опасным химическим и биологическим боевым агентам, которые находятся в форме аэрозоля.Напротив, мембрана способна переносить водяной пар, что помогает регулировать тепловую температуру тела. Обычно метод электропрядения используется для нанесения нетканого материала непосредственно на традиционные основы для создания защитной одежды. Используя этот подход, можно использовать электроспиннинг для осаждения волокон в трехмерной форме. Толщина нетканого материала в различных местах на одежде может варьироваться по желанию. Эта форма производства текстиля может устранить некоторые этапы производства и решить некоторые проблемы, такие как проблемы герметизации швов, которые обычно связаны с защитной одеждой [31].Faccini et al. [30] использовали электроспиннинг для нанесения мата из нетканого волокна из полиамида 6 (PA6) на нетканую вискозную основу для изготовления защитной одежды. Термопластический клей с последующим ламинированием горячим прессом также используется для улучшения адгезии между слоем нановолокна и подложкой. Их результаты показывают, что развитый текстиль удерживает 99% частиц размером 20 нм, а также 200 нм. Он демонстрирует их использование в защитной одежде, такой как маски и фильтры. Гибсон и др.[32] использовали электроспиннинг для производства эластомерной мембраны для защитной одежды. Они показывают, что эластомерные мембраны эффективны в улавливании переносимых воздухом частиц. Они также продемонстрировали, что свойства мембраны в отношении потока газа могут быть увеличены за счет двухосного растяжения мембраны. Однако перенос водяного пара через мембрану остается постоянным. Их результаты показывают, что электропряденую мембрану можно наносить или покрывать на ткани для применения в защитной одежде.В аналогичном исследовании Lee et al. [3] утверждают, что химию поверхности полимера, используемого для электропрядения, следует учитывать до того, как они будут нанесены на текстильный материал. Поверхностная энергия материала, выбранного для электропрядения, определяет смачиваемость электропряденой мембраны. Они использовали материал с низкой поверхностной энергией, такой как полипропилен, для производства электропряденой мембраны. Низкая поверхностная энергия полипропилена помогает мембране отталкивать воду и служит барьером для проникновения жидкости.В их исследовании полипропиленовые волокна наносятся на текстильный материал с помощью электропрядения из расплава. Исследованы барьерные свойства и способность композиционного материала к переносу воздуха и влаги. Они показывают, что, хотя воздухопроницаемость и перенос влаги через многослойную защитную одежду снизились на ~ 10–20%, они все же оказываются выше, чем у большинства материалов, используемых для изготовления защитной одежды. Де Фалько и др. [5] исследовали электрофлюидодинамическую технологию (EFD), основанную на электропрядении и электрораспылении для покрытия и модификации поверхности текстиля.Они утверждали, что с помощью этого процесса можно покрывать большие субстраты и превращать ткани в функциональные ткани. Например, путем осаждения проводящего графена или углеродных нанотрубок на поверхность непроводящих тканей ткань может быть сделана электропроводящей и полезной для применения в суперконденсаторах. Аналогичным образом, путем выбора подходящего материала покрытия ткань может быть сделана магнито- или электропроводящей, антибактериальной или светочувствительной.

показывает схему процесса EFD и изображения SEM произведенных тканей.Схема показывает, что можно наносить волокна, капли или тонкие пленки на поверхность тканей, изменяя условия обработки EFD. Они продемонстрировали, что капли оседают на поверхности ткани, когда раствор полимера имеет более низкое содержание растворенного полимера. С другой стороны, процесс EFD приводит к образованию волокон, когда для приготовления раствора полимера используется высокомолекулярный полимер. Тонкий слой полимера наносится на поверхность ткани за счет увеличения скорости подачи во время процесса EFD.

Схема электрофлюидодинамического (EFD) процесса и соответствующие SEM-изображения волокон, полученные с использованием EFD-процесса. Перепечатано из журнала Journal of Colloid and Interface Science , Vol. 541, Франческа Де Фалько, Винченцо Гуарино, Дженнаро Джентиле, Мариакристина Кокка, Вероника Амброджи, Луиджи Амброзио, Маурицио Авелла, Дизайн функциональных текстильных покрытий с помощью нетрадиционных электрофлюидодинамических процессов, 367–375, Copyright (2019), с разрешения Elsevier.

2.3. Композитные волокна и многослойная мембрана из нановолокна

В последние годы возник значительный интерес к производству умных и функциональных тканей. Например, включение пьезоэлектрических материалов в текстиль может помочь владельцу преобразовать механические движения тела в форму электрической энергии. Ян и др. [1] в своем исследовании впервые применили электроспиннинг для изготовления пьезоэлектрических волокон из поливинилиденфторида — со -трифторэтиленом (P (VDF-TrFE)).Эти волокна затем превращаются в крученую пряжу. После этого одинарная пряжа преобразуется в двухслойную и трехслойную пряжу. Эти нити затем используются в качестве утка в тканой структуре для производства функциональных тканей для сбора энергии. Они также производили непрерывную крученую пряжу с использованием модифицированной установки для электропрядения. Здесь волокна сначала собираются на большем конце воронки. Затем пряжу вытягивают из тонкого полотна нановолокна, сформированного на воронке, и скручивают. Эта крученая пряжа также используется для изготовления двух- и трехслойной пряжи.После этого крученая пряжа пришивается к ткани на швейной машине. Пряжа также используется для изготовления тканых пьезотканей. показывает СЭМ-изображение тканой структуры, полученной с использованием полученных нитей.

СЭМ-изображение показывает микроструктуру тканой пьезоэлектрической ткани, полученной с использованием крученой пряжи. Перепечатано с разрешения Enlong Yang, Zhe Xu, Lucas K. Chur, Ali Behroozfar, Mahmoud Baniasadi, Salvador Moreno, Jiacheng Huang, Jules Gilligan, Majid Minary-Jolandan, Нановолокнистые умные ткани из крученой пряжи из электропряденого пьезополимера, Интерфейсы 2017 , Vol.9, 24220–24229. Авторское право (2017 г.), Американское химическое общество.

Используя аналогичный подход, можно разработать текстиль для носимых электронных устройств кожи путем включения в ткань чувствительных к давлению материалов [33,34,35]. Для таких применений обычно используются функциональные полимеры, такие как пьезоэлектрические или проводящие полимеры, которые интегрируются в ткани [36,37,38]. Альтернативный подход заключается во внедрении металлических нанопроволок, функциональных керамических наночастиц или углеродных наноструктур в полимер до того, как они будут интегрированы в ткань.Наиболее распространенный подход включает диспергирование углеродных нанотрубок (УНТ) или графена непосредственно в растворе полимера с последующим электропрядением для получения полимерных волокон, содержащих УНТ / графен [39,40]. Присутствие УНТ или графена в полимерном волокне также способствует повышению механической прочности волокон. В исследовании You et al. [41], полиуретановые волокна, легированные оксидом графена, полученные с помощью электроспиннинга, наматывают вокруг хлопковой пряжи с никелевым покрытием, чтобы сформировать пряжу сердцевинного формования. Затем полученные сердцевинные пряжи наматывают на эластичную нить, из которой затем ткут ткань.Схема, показанная в, иллюстрирует использование пряжи для разработки электронных тканей. Точки пересечения эластичных композитных нитей служат в качестве емкостного механического сенсорного блока. Таким образом, когда к ткани прилагается давление, обнаруживается изменение емкости. Они продемонстрировали, что сенсорный блок имеет отличную чувствительность к давлению 1,59 Н ^-1 . Эта электронная ткань отлично фиксирует положение и движения тела. Таким образом, их результаты демонстрируют, что эти ткани потенциально могут использоваться в качестве искусственной кожи и носимого устройства для мониторинга здоровья.

( a ) Схема, демонстрирующая использование пряжи для разработки электронных тканей. Вкратце, полиуретановые волокна, легированные графеном, осаждаются на поверхности хлопковой пряжи с никелевым покрытием. Эти нити сердцевина-оболочка затем наматываются на эластичную нить. На следующем этапе из композитных нитей ткут ткань. ( b ) СЭМ-изображение эластичной композитной пряжи. ( c ) Оптическое микроскопическое изображение эластичной композитной нити. ( d ) СЭМ-изображение растянутой эластичной композитной нити.( e ) Оптическое микроскопическое изображение тканой электронной ткани. Перепечатано из журнала Journal of Materials Chemistry C , Vol. 6, Xiaolu You, Jianxin He, Nan Nan, Xianqiang Sun, Kun Qi, Yuman Zhou, Weili Shao, Fan Liu, Shozhong Cui, Эластичная емкостная тканевая электронная кожа, сотканная из пряжи с покрытием из электропряденого нановолокна для обнаружения тактильных и мультимодальных механических стимулов, 12981– 12991, Copyright (2018), с разрешения Королевского химического общества.

В другом исследовании [42] носимая электронная кожа изготавливается путем вплетения чувствительной к давлению пряжи в ткань.Для этого сначала производят пряжу из ПВДФ методом электропрядения. Полученные нити PVDF покрывают поли (3,4-этилендиокситиофеном) (PEDOT) путем полимеризации на месте EDOT на поверхности волоконных нитей. Полученные нити ПВДФ-ПЕДОТ ядро-оболочка ткутся в двухслойную пригодную для носки ткань. Они показывают, что сигнал напряжения холостого хода получается при приложении давления. Кроме того, показано, что выходное напряжение холостого хода переключается при приложении давления. Таким образом, показано, что ткань работает самостоятельно под действием приложенного давления.

3. Защитная одежда

3.1. Защитная одежда от микро- и наночастиц

В последнее время возросла озабоченность по поводу воздействия микро- и наночастиц на опасность для здоровья и безопасности [13,30]. Присутствие в воздухе микро- и наночастиц из-за загрязнения воздуха и загрязнения воздуха является одним из самых больших экологических рисков для здоровья человека [43]. Твердые частицы (ТЧ), присутствующие в воздухе, представляют собой смесь органических и неорганических твердых и жидких частиц.Эти частицы классифицируются как PM10 и PM2,5, что описывает присутствие в воздухе частиц размером менее 10 и 2,5 микрон соответственно [28,44]. Как кратковременное, так и долгосрочное воздействие загрязненного воздуха с высоким содержанием PM10 и PM2,5 может иметь серьезные последствия для здоровья. Необходимо и важно разработать новые барьерные материалы и защитную одежду / материал от микро / наночастиц и обеспечить минимальное воздействие. Традиционный метод фильтрации воздуха основан на использовании высокоэффективных воздушных фильтров (HEPA), которые основаны на стекловолокне микронных размеров [45].Хотя эти нетканые фильтры на основе стекловолокна микронного размера удаляют из воздуха частицы микронного размера, они не способны удалять частицы субмикронного размера. Это ограничение объясняется наличием пор большого размера внутри нетканой сетки.

Для сравнения: фильтрующие материалы, изготовленные с использованием электропряденых мембран, могут демонстрировать превосходные характеристики благодаря ультратонким размерам волокон, огромному соотношению площади поверхности к объему, большой поверхностной энергии и наличию мелкой пористости внутри мембран.Эти свойства электропряденых мембран гарантируют, что фильтрующий материал демонстрирует более высокую эффективность фильтрации и проницаемость во время процесса фильтрации по сравнению с обычными фильтрами HEPA [46,47,48]. Взаимодействие различных механизмов фильтрации отвечает за отделение и фильтрацию частиц из воздуха при использовании электропряденых мембран в качестве фильтрующих материалов [28]. Например, частицы, которые обычно имеют размер от 0,3 до 1 микрона, отделяются от воздушного потока и захватываются волокнами из-за ван-дер-ваальсовых взаимодействий.Это происходит, когда частицы в воздушном потоке вступают в тесный контакт с поверхностью волокон [49]. Частицы размером более 1 микрона отделяются от воздушного потока за счет инерционного удара [50]. Воздушный поток через мембрану проходит извилистый путь. Из-за инерции частицы сталкиваются с волокнами и осаждаются на поверхности волокон. Наконец, частицы размером менее 0,3 микрона отделяются от воздушного потока из-за электростатического эффекта. Это происходит, когда частицы или волокна заряжены.Электростатическое взаимодействие притягивает частицы к поверхности волокон [45]. Таким образом, эти механизмы разделения и фильтрации показывают, что эффективность фильтрации фильтрующего материала для электропрядения может быть улучшена путем настройки размера волокон и химического состава их поверхности. Например, показано, что волокна, изготовленные с использованием полимеров с высоким дипольным моментом, захватывают частицы PM с полярными функциональными группами, такими как C – O, C = O и C – N [51]. Это объясняется диполь-дипольным взаимодействием с частицами и индуцированными дипольными межмолекулярными силами, которые притягивают частицы к волокнам.Также сообщается, что способность фильтра улавливать частицы увеличивается, когда размер волокон уменьшается до нанометрового масштаба. Установлено, что фильтры с волокнами нанометрового размера прозрачны для солнечного света и пропускают достаточный воздушный поток. Сообщалось, что электропряденая мембрана из полиакрилонитрила (ПАН) с волокнами диаметром 200 нм может использоваться в качестве эффективных и прозрачных воздушных фильтров [51]. Эти мембраны PAN показали в ходе полевых испытаний, что они могут использоваться в опасных условиях PM2.5-й уровень в течение ~ 100 ч с КПД до 95%. Strain et al. [52] в своем исследовании разработали электропряденые мембраны на основе полиэтилентерефталатных (ПЭТ) волокон для фильтрации дыма. Они продемонстрировали, что мембраны с волокнами меньшего диаметра более эффективны при фильтрации дыма по сравнению с мембранами с волокнами большего диаметра. Показано, что мембраны с диаметром волокон 0,4 мкм улавливают остатки дыма, в 43 раза превышающие его собственный вес. Для сравнения: типичный наконечник сигаретного фильтра на основе ацетата целлюлозы поглощает только остатки дыма 2.В 7 раз больше собственного веса. В другом исследовании [53] Wang et al. разработали воздушные фильтры путем нанесения волокон из смеси поливинилхлорида (ПВХ) и полиуретана (ПУ) на обычную фильтровальную бумагу. Они продемонстрировали, что фильтровальная бумага с волокнами из смеси ПВХ / ПУ обладает высокой эффективностью фильтрации для фильтрации твердых частиц по сравнению с чистой фильтровальной бумагой. В нескольких исследованиях также были изготовлены электретные волокна для притяжения и захвата электростатически активных наночастиц в воздухе [54,55,56,57,58]. Некоторые полимеры, такие как PAN, PVDF, полиамид и полиэфиримид, накапливают электрические заряды во время электропрядения.Показано, что эти электретные мембраны могут использоваться в качестве воздушных фильтров, поскольку они притягивают и адсорбируют частицы, присутствующие в воздухе. Также продемонстрировано, что электростатические свойства электрической мембраны могут быть улучшены путем диспергирования некоторых усилителей накопления заряда, таких как наночастицы SiO ₂ или наноразмерные графитовые пластинки в матрице волокна [57,58].

3.2. Защитная одежда от проникновения жидкости

Одним из важных требований к одежде, помимо эстетики, является функциональность и комфорт, предлагаемые одеждой ее владельцу [12,59,60,61,62].Водонепроницаемая и дышащая защитная одежда может обеспечить тепловой комфорт владельцу. Он обеспечивает комфорт в экстремальных климатических условиях и защищает их от таких факторов окружающей среды, как дождь, снег и ветер. Этот тип одежды ограничивает проникновение жидкой воды, позволяя водяному пару проходить через них [11,12,60,63]. Такие материалы, используемые для изготовления одежды, также могут найти применение в самых разных областях, включая фильтрующие и разделительные среды, медицинские принадлежности и т. Д.[62,64].

Обычно материалы, обеспечивающие защиту от воды, проявляют контрастное поведение с водяным паром. Другими словами, водонепроницаемые материалы редко бывают воздухопроницаемыми. Недавно было продемонстрировано, что водонепроницаемые и воздухопроницаемые материалы могут быть изготовлены с использованием пористых гидрофобных материалов с взаимосвязанными проходами пор [61]. Традиционно такие материалы изготавливались с использованием таких методов, как двухосное растяжение, фазовое разделение и стратегия на основе шаблона [65,66,67,68].Однако традиционные методы изготовления защитных материалов достигли ограниченного успеха с точки зрения водонепроницаемости материала и / или его воздухопроницаемости. Это объясняется сложностью регулирования и контроля его пористой структуры.

Недавно исследователи сосредоточили свои усилия на использовании электропрядения для создания водонепроницаемых и дышащих материалов [63,64]. Электропрядение позволяет создавать мембраны, которые не только плотно упакованы, но и имеют взаимосвязанные поры.Наличие пор микронного и наноразмерного размера в электропряденой мембране позволяет переносить влагу и ограничивает проникновение воды и ветра. Однако сообщается, что электропряденые материалы демонстрируют хорошую водонепроницаемость и воздухопроницаемость только тогда, когда они изготовлены с использованием по своей природе гидрофобного полимера [61]. Электропряденые мембраны, изготовленные с использованием гидрофобных полимеров, препятствуют проникновению капель воды и пропускают молекулы водяного пара.

Канг и др. [11] использовали электроспиннинг для производства водонепроницаемых и дышащих тканей на основе полиуретановых волокон.В своем исследовании они использовали электроспиннинг для нанесения полиуретановых волокон на ткань-основу для производства дышащих тканей. Они также изготовили контрольные образцы, покрывая ткани мембранами из полиуретановой смолы. Они продемонстрировали, что водонепроницаемость и воздухопроницаемость тканей на основе электропряденых полиуретановых волокон намного выше по сравнению с контрольными образцами. Sheng et al. [60] применили электроспиннинг для производства нановолоконной мембраны из полиакрилонитрила (ПАН), а затем модифицировали мембрану, добавив к ней полидиметилсилоксан (ПДМС).Они демонстрируют, что чистые нановолокна ПАН гидрофильны. Однако модифицированные ПАН мембраны PDMS гидрофобны и демонстрируют гистерезис с низким краевым углом. Показано, что капля воды скатывается с поверхности ПАН-мембраны, модифицированной ПДМС, при ее наклоне на 7 °. Они также продемонстрировали, что благодаря тонким взаимосвязанным порам эти мембраны проницаемы для водяного пара. иллюстрирует механизм воздухопроницаемости их мембраны. Стакан, наполненный водой, накрывают мембраной, и установку нагревают до 100 ° C в течение 30 мин.Показано, что вода, окрашенная синим красителем, находится на поверхности мембраны. Однако показано, что силикагель, помещенный на поверхность мембраны, меняет цвет с синего на розовый. Это показывает, что мембрана проницаема для водяного пара.

Исследование водонепроницаемости и воздухопроницаемости электропряденой ПДМС-мембраны, модифицированной ПАН. Электропряденая мембрана из ПДМС, модифицированная ПАН, предназначена для покрытия стакана с водой. Из-за гидрофобности мембраны капли воды, помещенные на мембрану, не могут попасть в мембрану.С другой стороны, при нагревании установки мембрана проницаема для водяного пара. Таким образом, когда силикагель помещается на мембрану, он меняет свой цвет с синего на розовый. Перепечатано с разрешения Junlu Sheng, Min Zhang, Yue Xu, Jianyong Yu, Bin Ding, Tailoring водостойкие и воздухопроницаемые характеристики полиакрилонитриловых нановолоконных мембран, модифицированных полидиметилсилоксаном, ACS Applied Materials and Interfaces 2016 , Vol. 8, 27218–27226. Авторское право (2016 г.), Американское химическое общество.

Характеристики электропряденой мембраны с точки зрения ее воздухопроницаемости можно улучшить, контролируя размер пор и общую пористость. Уменьшение размера пор будет играть более важную роль в сопротивлении проникновению капель воды. С другой стороны, улучшение общей пористости материала увеличивает пропускание водяного пара из материала. Ли и др. [69] в своем исследовании исследовали влияние размера пор, пористости и длины пор на воздухопроницаемость и водонепроницаемость электропряденой мембраны.Они использовали электроспиннинг для изготовления мембран на основе полиуретана и фторированного полиуретана. Пористость и размер пор мембран регулируются путем регулирования относительной влажности во время процесса электропрядения и продолжительности электропрядения. Воздухопроницаемость мембран исследуется при покрытии стакана с водой изготовленной электропряденой мембраной. Они продемонстрировали, что при нагревании стакана образуется большое количество водяного пара, который проходит через мембрану.Воздухопроницаемость приписывается диффузии водяного пара по Фику через пористую мембрану. Это связано с разницей относительной влажности между двумя сторонами мембраны. Показано, что воздухопроницаемость мембран зависит от пористости и длины пор. Совсем недавно Shi et al. [70] изготовили мембрану Janus с помощью электропрядения и продемонстрировали, что вода проникает через мембрану только с одной поверхности мембраны. Мембраны Janus производятся путем изготовления двухслойной структуры с одним гидрофильным слоем, а другой — гидрофобным.Показано, что вода проникает, когда она помещается на гидрофобную сторону двухслойной структуры. В нашем недавнем исследовании мы изготовили мембрану Janus с помощью электроспиннинга [71]. Мы продемонстрировали, что вода проникает, когда помещается на гидрофобную сторону мембраны Janus, но не проникает, когда помещается на гидрофильную сторону мембраны Janus. Эти мембраны Janus демонстрируют огромный потенциал для создания воздухопроницаемых и водонепроницаемых тканей.

3.3. Защитная одежда от химикатов

Разработка спецодежды для защиты от боевых отравляющих веществ с использованием инновационных систем защиты имеет первостепенное значение для военнослужащих и сотрудников службы безопасности.Боевые отравляющие вещества, такие как хлор, арсин, фосген и т. Д., Считаются наиболее отвратительными химическими веществами, поскольку они повреждают кожу и нервы [72,73]. Традиционно защитные текстильные системы основаны на использовании многослойной ткани с защитным слоем [2,13,74,75]. Защитный слой в этих тканях состоит из неорганического материала, такого как активированный уголь или активированный уголь, который помогает удерживать химические вещества и предотвращает их проникновение в ткань. Хотя эти обычные защитные ткани показали огромный успех в улавливании химикатов, они имеют высокую тепловую нагрузку и не пропускают воздух и водяной пар.Отсутствие воздухопроницаемости обычного химзащитного текстиля вызывает дискомфорт у пользователя и снижает его эффективность при выполнении активных задач. Другой недостаток, связанный с традиционной защитной одеждой, — это утилизация использованной или загрязненной одежды. Обычная защитная одежда способна только физически адсорбировать химические вещества. Они не помогают в детоксикации боевых отравляющих веществ. Некоторые оксиды металлов были идентифицированы как альтернатива активированному углю или древесному углю в защитной одежде.Показано, что оксиды металлов обладают превосходной реакционной способностью по отношению к боевым химическим веществам, а также способны детоксифицировать химические вещества [76]. В последнее время электроспиннинг используется для изготовления этих волокон из неорганических оксидов металлов, которые можно использовать в химической защитной одежде. Мембраны из электропряденых волокон сопротивляются проникновению органических молекул, но проницаемы для воздуха и водяного пара.

Vitchuli et al. [74] использовали электрораспыление вместе с электроспиннингом для получения волокон из нейлона 6, покрытых наночастицами оксида цинка (ZnO).Они продемонстрировали, что эти волокна обладают хорошей детоксикационной эффективностью в отношении параоксона, который является имитатором высокотоксичного фосфорорганического соединения. Чтобы продемонстрировать эффективность детоксикации волокон нейлона 6, покрытых ZnO, мембрану из нановолокна помещают в стеклянный флакон, заполненный раствором параоксона. По прошествии определенного времени растворы испытывают с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии и определяют остаточную концентрацию параоксона в растворе. Их результаты показывают, что концентрация параоксона значительно снизилась в растворе, который подвергался воздействию нановолокон ZnO / нейлон 6, по сравнению с исходным необработанным раствором и раствором, который подвергался воздействию чистых нановолокон нейлона 6.Нановолокна имеют большую площадь поверхности для поглощения параоксона. Кроме того, присутствие наночастиц ZnO на поверхности волокон способствует детоксикации молекул параоксона за счет разрыва связей P – O. Детоксикация привела к образованию менее вредного нитрофенола. Аналогичное исследование Ramaseshan et al. [72] показали, что электропряденые нановолокна из титаната цинка могут использоваться в качестве реактивных сорбентов для детоксикации вредных имитаторов нервно-паралитических агентов и ипритных агентов. Нановолокна из титаната цинка производятся с использованием золь-гель технологии в сочетании с методом электроспиннинга, который обычно используется для производства керамических волокон [77,78].Их результаты показывают, что изготовленные неорганические нановолокна являются пористыми и имеют большую площадь поверхности. Эти свойства нановолокна гарантируют, что боевые агенты не только адсорбируются на поверхности волокон, но также разлагаются на нетоксичные продукты. Они утверждают, что такие материалы могут использоваться в масках для лица и для другой защитной одежды.

3.4. Защитная одежда от микробов

Производство экономичных антимикробных материалов представляет большой интерес для разработки антимикробной защитной одежды.Обычно металлы, такие как серебро, медь, кадмий и т. Д., Используются для противомикробных препаратов из-за их способности дезактивировать бактерии [79]. Среди всех этих элементов серебро является наиболее токсичным для микроорганизмов, поэтому оно широко используется в таких областях, как противомикробные фильтры, перевязочные материалы для ран, очистка воды, фильтрация воздуха и защитная одежда [80]. Утверждается, что электростатические взаимодействия между бактериальными клетками и ионами серебра являются основным механизмом бактерицидных свойств серебра.Катион серебра связывается с группами серы, кислорода и азота, поскольку они являются электронодонорными группами. Это взаимодействие вызывает структурные изменения в клетке, которые приводят к разрыву клеточной стенки и гибели бактериальной клетки [81]. Ионы серебра также имеют тенденцию связываться с бактериальной ДНК и РНК путем денатурирования. Из-за этого антимикробного поведения серебра исследователи диспергировали частицы серебра в растворе для электропрядения для получения антимикробных электропряденых волокон. Частицы серебра либо встроены в матрицу волокна, либо нанесены на поверхность волокон.Малый диаметр волокон и нанометровый размер частиц серебра гарантирует, что волокна имеют огромную площадь поверхности на единицу объема. Это помогает повысить антимикробную эффективность волокон, покрытых серебром.

Quiros et al. [81] диспергировали серебро в растворе поливинилпирролидона (ПВП) и электропрядили этот раствор для получения антимикробных волокон. Показано, что серебро восстанавливает и формирует наночастицы во время электроспиннинга. Исследована эффективность этих волокон против бактерий Escherichia coli и Staphylococcus aureus .Эти волокна снижают метаболическую активность и жизнеспособность клеток. Демонстрируется явное подавление контакта микроорганизмов с волокнами. Они также продемонстрировали антибактериальный эффект волокон ПВП, содержащих серебро. В аналогичном исследовании [82] авторы диспергировали ионы серебра в растворителе диметилформамид (ДМФ), чтобы восстановить ионы до наночастиц серебра. После этого полиакрилонитрил (ПАН) растворяется в растворе ДМФА с наночастицами серебра и электропрядением. Показано, что облучение полученных волокон УФ-светом ускоряет образование наночастиц серебра.Показано, что полученные волокна обладают хорошим бактерицидным действием. Их результаты представляют собой аргументы в пользу использования этих волокон в качестве фильтров для защиты персонала от бактериального заражения. О подобном подходе к восстановлению серебра до ионов серебра сообщалось в других исследованиях [80,83]. Например, аскорбилпальмитат, который является производным витамина С, используется для восстановления ионов серебра до наночастиц серебра. Аскорбилпальмитат добавляют к раствору поли ( ε -капролактон) (PCL). Ионы серебра диспергируются в этом растворе перед электроспрядением раствора для производства волокон.Показано, что присутствие аскробилпальмитата в волокнах восстанавливает ионы серебра до наночастиц серебра. В другом исследовании [80] ПВП используется в качестве укупорочного агента при формировании наночастиц серебра на поверхности электропряденых волокон. Показано, что ПВП сильно взаимодействует с поверхностью наночастиц серебра, поскольку он связывается с атомами O и N. Таким образом, добавление ПВП к раствору для электропрядения помогло восстановить ионы серебра до наночастиц серебра. Присутствие ПВП также помогает диспергировать серебро, поскольку предотвращает агрегацию наночастиц серебра на волокнах.Равномерная дисперсия серебра играет роль в улучшении антимикробных свойств волокон.

Hwang et al. [84] использовали метод электроспиннинга для изготовления композитных волокон ZnO / TiO ₂ и продемонстрировали их антимикробную активность против Esherichia coli и грамположительных Staphylococcus aureus . Авторы также изготовили чистые волокна TiO ₂ и сравнили антибактериальную активность этих волокон с антибактериальной активностью композитных волокон ZnO / TiO ₂ .Их результаты показывают, что без УФ-облучения чистые волокна TiO ₂ лишь умеренно ингибируют рост бактериальных клеток. С другой стороны, показано, что композитные волокна ZnO / TiO ₂ эффективно убивают как Esherichia coli , так и грамположительные Staphylococcus aureus. Это связано с гидроксильными радикалами на поверхности композитных волокон. Эти реактивные гидроксильные радикалы образуются из-за присутствия ZnO в композитных волокнах. Гидроксильные радикалы ответственны за уничтожение клетки, поскольку они могут реагировать с ДНК, клеточными мембранами и клеточными белками.показывает антибактериальную активность композитного волокна и волокна TiO ₂ против грамположительных Staphylococcus aureus . показывает, что процент выживаемости бактериальных колоний резко снижается для композитных волокон. Эти материалы демонстрируют огромный потенциал для разработки антимикробных тканей.

График% выживаемости бактериальных колоний от времени для ZnO / TiO ₂ композитных волокон (красные точки) и TiO ₂ волокон (черные полые квадраты) против Staphylococcus aureus в отсутствие света.На вставке — колонии бактерий. Перепечатано из Chemical Communications , Vol. 47, Сон Хе Хван, Джуён Сон, Юджунг Джунг, О. Ён Квеон, Хи Сон, Джёнсик Джанг, Electrospun ZnO / TiO _{2 Композитные нановолокна} в качестве бактерицидного агента, 9164–9166, Copyright (2011), с разрешения The Королевское химическое общество.

3.5. Защитная одежда от тепла и тепла

В последние годы растет спрос на разработку тепловой защитной одежды для защиты пользователя от различных типов теплового воздействия, таких как тепло, лучистое тепло и горячие поверхности [85,86].В обычных термозащитных тканях ткань состоит из двух основных фаз, которые влияют на тепловые характеристики защитной одежды [87]. Газовая фаза, присутствующая в порах ткани, состоит из водяного пара и / или сухого воздуха. С другой стороны, твердая фаза состоит из волоконных нитей. Эти нити в нетканом или тканом материале помогают удерживать воздух в газовой фазе тканей [87]. Газовая фаза внутри ткани передает меньшее количество тепловой энергии через ткани по сравнению с твердой фазой.Таким образом, на изоляционные характеристики этих обычных тканей влияют свойства пряжи.

Кевларовые волокна и ароматический полиамид, волокна Nomex ^® благодаря своим огнестойким характеристикам обладают огромным потенциалом для разработки термозащитных тканей [88]. Точно так же полимеры, такие как полиимид, полибензимидазол и полиамид, имеют высокую температуру разложения и обладают способностью к самозатуханию из-за их жестких основных цепей и межцепочечных взаимодействий [85].Мембраны, изготовленные с использованием этих полимеров с высокими эксплуатационными характеристиками, обладают рядом преимуществ, таких как воздухопроницаемость и термостойкость [86]. Таким образом, если электропрядение используется для производства нетканых мембран с использованием этих высокоэффективных полимеров, то их также можно использовать для изготовления термозащитной одежды. Zhu et al. [85] использовали электроспиннинг для получения композиционных материалов на основе полибисбензимидазобензофенантролиндиона (BBB) ​​и продемонстрировали, что эти материалы не выдерживают пламени или горения.Волокна BBB получают путем предварительного приготовления раствора предшественника, который состоит из диаминобензидина и 1,4,5,8-нафталинтетракарбоновой кислоты (NTCA). Затем к этому раствору добавляют раствор ПВП и, наконец, раствор подвергают электропрядению для получения волокон-предшественников. Волокна ВВВ получают путем термической обработки этих волокон-предшественников. После этого полученные волокна ВВВ механически нарезаются для получения коротких волокон ВВВ. Эти короткие волокна BBB диспергированы в растворе гекторита натрия (Hec). Затем Hec и BBB наносятся на мембрану из термопластичного полиуретана (TPU).На следующем этапе мембрана TPU избирательно протравливается для получения композитных волокон Hec / BBB, которые не воспламеняются при контакте с пламенем. Они утверждают, что нанолисты Hec в композите образуют слой и препятствуют прохождению летучих веществ через мембрану. Передача тепла через мембрану замедлена. Авторы [85] продемонстрировали, что полимер ВВВ подвергается пиролизу при контакте чистой мембраны ВВВ с пламенем. С другой стороны, показано, что мембрана Hec / BBB поддерживает контакт с пламенем.показывает установку, используемую для демонстрации термостойкости и огнестойкости мембраны Hec / BBB. Показано, что мембрана защищает ватный диск от пламени.

Цифровая фотография, демонстрирующая огнестойкость мембраны Hec / BBB. Мембрана Hec / BBB приводится в контакт с пламенем, а с другой стороны мембраны удерживается ватный диск. Показано, что мембрана блокирует пламя и защищает ватный диск. Перепечатано с разрешения Цзянь Чжу, Йозефа Бреу, Хаоцин Хоу, Андреаса Грейнера, Симы Агарвал, негорючие гибкие полимерные мембраны с градиентной структурой, ACS Applied Materials and Interfaces 2019 , Vol.11, 11876–11883. Авторское право (2019 г.), Американское химическое общество.

Hang et al. [89] получили меламиновые волокна путем электроспиннинга меламиноформальдегидной смолы и продемонстрировали его применение для разработки термостойких тканей. Они показывают, что температура разложения волокон выше, чем у большинства полимерных волокон. Serbezeanu et al. [86] синтезировали полиимид (ПИ) и электропрядили волокна ПИ на подложки из кевлара. Этот материал сравнивается с обычной термозащитной одеждой и демонстрирует улучшенную защиту и скорость прохождения водяного пара.Показано, что их материал имеет хорошую защиту от тепла и пламени.

3.6. Защитная одежда от ультрафиолетового (УФ) излучения

В последние годы текстильные изделия и ткани, блокирующие УФ-излучение, вызывают значительный интерес для защиты от земного УФ-излучения [90]. Хорошо известно, что воздействие солнца и ультрафиолетового излучения может нанести значительный вред коже. Например, воздействие УФ-излучения с длинами волн в диапазоне 315–400 нм вызывает признаки старения [91,92].С другой стороны, воздействие УФ-излучения с длинами волн в диапазоне 280–315 нм вызывает развитие рака кожи [91,92]. Таким образом, это имеет решающее значение для разработки текстильных материалов, защищающих от ультрафиолета, особенно для персонала, работающего на открытом воздухе в течение длительного периода. Традиционно оксид цинка (ZnO) использовался в тканях и продуктах личной гигиены, таких как солнцезащитные кремы, из-за их способности блокировать УФ-излучение [93,94,95]. Эффективность этих частиц оксида цинка по блокированию УФ-излучения может быть повышена, если они находятся в форме наночастиц.Это объясняется увеличением отношения площади поверхности к объему. Ли и др. [4] разработали ткани, защищающие от ультрафиолета, путем диспергирования наночастиц ZnO в растворе полиуретана перед использованием электропрядения для производства волокон ZnO с полиуретановым наполнителем. Эти волокна нанесены на полипропиленовый нетканый субстрат, чтобы продемонстрировать, что очень тонкий слой волокон ZnO с полиуретановым наполнителем успешно снижает пропускание УФ-излучения как для УФ-А, так и для УФ-В. Присутствие ZnO в волокнах способствует поглощению УФ-излучения и гарантирует, что электропряденные волокна эффективно защищают УФ-излучение.Они также показывают, что способность волокон блокировать ультрафиолетовое излучение увеличивается, когда концентрация ZnO в волокнах увеличивается и когда увеличивается плотность волокон ZnO, наполненных полиуретаном. Изготовленные волокна могут снизить УФ-излучение более чем на 97%. Для сравнения, необработанный субстрат обеспечивает ограниченную защиту от ультрафиолетового излучения или ее отсутствие. Pant et al. [96] получили УФ-защитный текстиль путем диспергирования наночастиц диоксида титана в электропряденых волокнах. Они также сообщили, что присутствие частиц диоксида титана в волокнах блокирует УФ-излучение.Это связано с поглощением ультрафиолетового света частицами диоксида титана. Поглощение ультрафиолетового света отвечает за перенос электронов из валентной зоны в зону проводимости и помогает блокировать ультрафиолетовое излучение. В аналогичном исследовании Li et al. [92] использовали методы электропрядения для производства нановолокон на основе натуральной хлопковой целлюлозы. Затем эти волокна функционализируют диоксидом церия (CeO ₂ ) с использованием гидротермального метода и исследуют их способность блокировать УФ-излучение.Они продемонстрировали, что волокна натуральной хлопковой целлюлозы, модифицированные наночастицами диоксида церия, могут блокировать УФ-излучение по сравнению с чистыми волокнами. Утверждается, что диоксид церия чувствителен к поглощению света и особенно к полосам поглощения в УФ-области. Кроме того, большой показатель преломления диоксида церия и его равномерное распределение на поверхности волокон сыграли роль в эффективном УФ-рассеянии. Недавно Ли и др. [97] продемонстрировали, что органические волокна на основе лигнина и поливинилового спирта (ПВС) способны блокировать УФ-излучение.Вкратце, лигнин и ПВС растворяют в растворителе и подвергают электропрядению с получением волокон лигнин / ПВС. Волокна сшиты, и исследуется их способность блокировать УФ-излучение. Показано, что коэффициент пропускания УФ-А и УФ-В излучения через волокна лигнин / ПВС практически равен нулю. Здесь присутствующие в лигнине функциональные группы, поглощающие УФ-излучение, такие как фенолы, кетоны и хромофоры, гарантируют, что он может блокировать УФ-излучение.

4. Перспективы на будущее

Использование электроспиннинга для производства тканей и текстильных изделий может вызвать революцию в области применения защитной одежды.Например, широкое использование наночастиц и наноматериалов вызвало ряд серьезных вопросов, поскольку воздействие этих материалов может представлять опасность для здоровья и безопасности. Что еще хуже, количество людей, подвергающихся воздействию этих наноматериалов, будет увеличиваться в будущем. Таким образом, существует острая необходимость в разработке новых барьерных материалов против этих наноматериалов. Использование электропряденых мембран показало огромные перспективы и потенциал в качестве защитной среды от частиц микронного размера.Эффективность электропряденой мембраны по улавливанию частиц микронного размера может быть дополнительно улучшена путем регулирования размера волокон, размера пор и общей пористости внутри мембраны. Однако их способность улавливать частицы размером менее 100 нм обсуждается редко. Один из подходов к эффективному захвату наночастиц — электростатическое взаимодействие. Для этого мембрана должна действовать как электрет, притягивающий наночастицы. В качестве альтернативы поверхность волокон может быть функционализирована, чтобы способствовать химическому взаимодействию между наночастицами и волокнами.Таким образом, мембрана будет полезна для захвата не только микрочастиц, но также будет способна захватывать наночастицы. В дополнение к этому, поверхности волокон также могут быть функционализированы добавками для улавливания загрязняющих веществ, присутствующих в воздухе, таких как летучие органические соединения, химические и биологические загрязнители, и превращения их в простые соединения. Производство таких мембран окажет огромное влияние на разработку следующего поколения защитных мембран для воздушных фильтров.Точно так же мембраны, которые сопротивляются проникновению воды, но пропускают водяной пар, демонстрируют огромный потенциал для создания воздухопроницаемых защитных тканей. Такие ткани можно использовать для самых разных целей, таких как одежда, обувь, разделительные материалы, фильтрация и т.д. Эти волокна затем могут быть включены в мембрану одежды для получения умных и функциональных тканей.Волокна могут быть непосредственно на ткани электропрядены. Хотя такой подход устраняет проблемы, связанные со сшиванием электропряденой мембраны и ткани вместе, адгезия между мембраной и тканью остается проблемой. Несколько исследовательских групп изучают методы плазменной обработки и химических добавок для улучшения адгезии между мембраной и тканью. Электропрядение также можно использовать для диспергирования неорганических противомикробных частиц и агентов внутри и на поверхности полимерных волокон.При включении в одежду эти волокна могут придавать одежде антимикробные свойства. Таким образом, электроспиннинг предлагает огромный потенциал для разработки мембран и волокон для применения в защитной одежде.

Porelle Dry — водонепроницаемая и дышащая мембрана

Микропористые мембраны Porelle гидрофобны (ненавидят воду) и препятствуют прохождению воды даже под высоким давлением. В то же время мембрана «дышит», позволяя поту в виде молекул водяного пара проходить через микроскопические поры, вызванные большим теплом и более высокой плотностью молекул водяного пара изнутри одежды.Уникальное сочетание микроструктуры и химического состава полиуретана гарантирует, что микропористые мембраны Porelle остаются водонепроницаемыми при использовании даже после многократных стирок или стерилизации паром.

Porelle Dry — водонепроницаемая и дышащая микропористая полиуретановая мембрана: легкая, гибкая и прочная. Ключевой особенностью технологии Porelle Dry является ощущение сухости при использовании в активной одежде. Пленки Porelle Dry производятся с помощью уникального нового процесса нанесения покрытия, который позволяет формировать однородную микроструктуру.Это обеспечивает постоянный уровень водонепроницаемости даже после нескольких стирок. Некоторые продукты конкурентов имеют нерегулярную структуру ячеек с большими порами, которые по своей природе могут приводить к отказу, вызывая снижение водонепроницаемости и воздухопроницаемости. Технология Porelle предлагает уникальное решение: они дышат, поглощая и рассеивая пот за счет диффузии молекул водяного пара через твердую структуру. Несмотря на то, что эти технологии работают, пользователь иногда может чувствовать себя липким и неудобным.

Одной из ключевых функций мембранной технологии, используемой в одежде, является обеспечение того, чтобы она оставалась водонепроницаемой при использовании, сохраняя пользователя сухим и комфортным. Однако, когда мы много работаем, мы потеем. Если пот остается внутри одежды, это может создать микроклимат и быстро образовать влажный слой, в результате чего пользователю становится холодно.

Решением этой проблемы является использование водонепроницаемых и дышащих мембран. По этой причине пленки TPU и PU широко используются в производстве одежды.Как правило, они основаны на технологиях 100% твердых гидрофильных пленок. Когда гидрофильные пленки отводят пот, они набухают и удерживают влагу. Это происходит из-за цепочек химических групп внутри твердой структуры, которые притягивают и удерживают молекулы водяного пара. Это удержание влаги в структуре изменяет природу и характер пленки, оставляя ощущение, будто она на самом деле влажная, что может ощущаться пользователем как ощущение дискомфорта, липкости и холода. Porelle Dry — это микропористая мембрана, которая дышит с помощью другого механизма, который позволяет характеру и природе пленки оставаться сухой при использовании.Мембрана гидрофобна (ненавидит воду) и отталкивает капли воды даже под высоким давлением.