Исследование свойств мембранных материалов, разработка рекомендаций по их эксплуатации

Федеральное агентство по образованию

Омский  государственный институт сервиса

Факультет_    _ХТФ_________________

Кафедра ___ССиЭК____________________ 
 

Допущена к  защите                                                     Защищена с оценкой

_________________                                                   _________________      «___»_______200_ г.                                                   «___»______200_ г.     
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА (ПРОЕКТ)

по  материаловедению

на тему: «Исследование свойств мембранных материалов, разработка рекомендаций по их эксплуатации » 
 
 

                                                                       Выполнил (а) студент(ка)

______Сэ-81___________ 

               (группа)

Мамугина  Н.В__________ 

        (Ф.И.О., подпись)

Проверил______________

                    (должность)

Иванцова  Т.М._________

        (Ф.И.О., подпись) 

Омск  2010г.

Содержание

Введение……………………………………………………………………….4

1 Классификация и свойства мембранных материалов

      1.1. Категории мембран по строению…………………………………6

      1.2. Виды и свойства мембранных материалов………………………7

2 Технологии мембранных тканей  Gore-Tex

     2.1. Структура мембраны……………………………………………..12

      2.2 Разновидности материалов GORE-TEX®……………………….14

      2.3 Оценка качества мембранных материалов………………………20

      2.4 Сфера применения………………………………………………...22

3 Недостатки мембранных материалов ………………………………...….23

4 Исследование свойств мембранных материалов

      4.1 Характеристика объекта исследования………………………….25

     4.2 Определение устойчивости окраски к разным видам воздействия……………………………………………………………..….…26

      4.3 Определение прочностных характеристик………………….…...31

     4.4 Определение воздухопроницаемости……………………………34

     4.5 Определение паропроницаемости……………………………..…36

Вывод и рекомендации…………………………………………………...….38

Заключение……………………………………………………………………39

Библиографический список………………………………………..…….…..40

Приложение А - Образец испытуемого материала……………….…….…..42

Приложение Б – Пробы после испытания на устойчивость окраски к различным физико-химическим воздействиям……………………………..43

Приложение В - Пробы после испытания мембранного материала на разрыв и удлинение…………………………………………………………………...…45

Приложение Г - Дефект отслоения мембраны от материала………………46 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Данная тема достаточно актуальна в настоящее время, так как       исследуемый материал  начал использоваться в легкой промышленности не так давно и его недостатки и преимущества недостаточно изучены.             

     Целью курсовой работы является  исследование свойств мембранных материалов, разработка рекомендаций по эксплуатации и уходу за ними. 

Задачи:

            - изучить виды  и свойства мембранных материалов

            - выявить преимущества  и недостатки мембранных материалов

            - провести физико-механические испытания

- дать рекомендации  по эксплуатации и уходу за изделиями из мембранных материалов 

Объект исследования: мембранный материал из синтетических нитей 
 
 
 
 

1. Классификация и  свойства мембранных  материалов 

     В 1969 году Боб Гор открыл особый способ обработки политетрафторэтилена (тефлона), и это послужило отправной  точкой применения полимеров в текстильной  промышленности. Первая ткань под  названием GORE-TEX появилась в 1978 году. В основе технологии лежит простой  процесс – тефлон растягивается  механическим путем до состояния  микропористой мембраны, которую  можно классифицировать как тянущую  полукристаллическую пленку. Производится мембрана путем экструзии под  давлением. Сырье вытягивается под  температурой, немного меньшей температуры  плавления, дальше от температуры стеклования, для предотвращения кристализации, часто в присутствии ароматических  углеводородов, которые создают  поры за счет образования микрокапель. Гидрофобные свойства тефлоновой мембраны означают, что жидкость отталкивается  от пор, в то время, как водяной  пар проходить сквозь них может. На рисунке 1 видна структура мембраны в виде трехмерной полимерной сетки с порами. [1] 

     Рисунок 1 – структура  мембраны

1.1 Категории мембран по строению.

     По  строению мембраны ткани делятся  по принципу, какая мембрана используется: беспоровая, поровая и комбинированная.

     Беспоровые  мембранные материалы -   однородны и не содержат пор. В них влагозащита и пароотведение происходят благодаря разной функциональности поверхностей: внешний (гидрофобный) слой мембраны отталкивает влагу из окружающей среды, а внутренний (гидрофильный) впитывает испарения тела и транспортирует их наружу. 
 Они долговечны, не требуют бережного ухода, исправно работают в широком диапазоне температур. В чем недостатки? Поначалу может показаться, что изделия промокают, но это, как раз те самые испарения, которые скапливаются на внутренней части изделия. Т. е. они начинают дышать медленнее, но в процессе эксплуатации иногда по дышащим свойствам превосходят поровые.

     Поровые мембранные материалы  – это мембраны, которые работают по следующему принципу: мембрана (плёнка) содержит мельчайшие отверстия (поры), диаметр которых меньше диаметра капли воды, но больше  размера молекулы водяного пара. Таким образом, капли воды не могут проникнуть сквозь неё внутрь, а испарения от тела в виде водяного пара свободно выходит наружу за счёт разницы парциального давления на внешней и внутренней поверхности ткани.

     В чем преимущество поровых мембран? Они  быстро начинают «дышать», т. е. выводят испарения, как только человек начинает потеть (при условии, что есть разница в парциальных давлениях водяного пара внутри и снаружи куртки, т. е., когда есть движущая сила).

     В чем недостатки? Эта мембрана достаточно быстро  теряет свои свойства. По мере засорения пор снижаются пароотводящие  свойства ткани. Поэтому, рекомендуется  специальный уход за изделием из мембранной ткани. При неправильной стирке куртка может начать протекать. Особенно сильно этот недостаток может проявиться, если Вы не особый любитель ухаживать за своими вещами (использовать специальные DWR спреи, моющие средства для мембранных тканей и т. д.).

     Комбинирование  мембранные материалы  – это когда  ткань верха покрыта с внутренней стороны поровой мембраной, а поверх поровой мембраны имеется еще тонкое покрытие (т.е. беспоровая полиуретановая мембранная пленка). Эта ткань имеет все преимущества поровых и беспоровых мембран, избегая недостатков. Но, это очень дорогой материал, поэтому немногие фирмы используют данную мембрану в своих изделиях…[2]

1.2 Виды и свойства мембранных материалов

     По  конструкции мембранные ткани делятся  на: двухслойные, трехслойные и так  называемые «двух-с-половиной»-слойные.

Двухслойный материал– это ткань верха, к которой с изнаночной стороны нанесена (специальным образом) мембрана. Данная ткань в изделиях всегда используется с подкладкой, т.к. подкладка обеспечивает должную защиту мембране от засорения и механического повреждения.

Трехслойный материал выглядит как ткань с мелкой сеткой с изнанки. По сути дела – это ткань верха + мембрана + трикотажная сетка, склеенные в одну структуру по специальной технологии ламинирования. Трикотажная сетка с изнанки обеспечивает защиту мембраны, как от механических повреждений, так и от засорения. А, что самое главное, в трехслойных изделиях, использование подкладки отпадает. В итоге имеем: мегалегкую ткань + мобильность + небольшой объем изделия и максимум функциональности.

«Двух-с-половиной» слойный мембранный материал  –  новинка на рынке. Это обыкновенная двухслойная мембранная ткань, с тончайшим защитным напылением изнутри, которое осуществляет функцию третьего слоя, защищая мембрану от повреждений.  Такие изделия получаются максимально легкими – не нужна подкладка, а вес защиты намного меньше, чем у трёхслойных материалов.

О производителях мембранных тканей.

     Обычно  в топовых, трехслойных или двухслойных  вещах, достойные бренды используют мембранные ткани производства таких  фирм как W.L.Gore and Associates, Inc. (США) (Gore-tex, Gore-tex XCR и т. д.), Toray (Япония) (Dermizax, Entrant HB), Event (США, производится в Японии), Unitika (Япония). Это – лидеры в области технологий производства мембранных тканей, страны с высоким уровнем развития технологий.  

Водоотталкивающее покрытие – DWR

Рисунок 2 - водоотталкивающее  покрытие – DWR

     Посмотрите  – капельки не впитываются, а лежат на ткани, скатываясь в шарики! Это DWR (Durable Water Reppelence) покрытие, не позволяющее воде проходить даже через верхний слой ткани (то есть впитываться в нее). На ткани с DWR покрытием вода, скатывается в шарики и легко скатывается. Главный недостаток этого покрвтия в том, что со временем оно исчезает (смывается), а на ткани появляются мокрые пятна (при контакте с водой), но это вовсе не значит, что изделие промокает, так как мембрана все равно воду не пропустит, однако некоторый дискомфорт присутствовать может. Образовавшийся слой воды сверху не даст работать мембране, какой бы хорошей она не была. Кроме этого, в поровых мембранах, в этом случае, возможно прохождение воды через мембрану. Избежать стирания покрытия DWR Вам поможет специально разработанные средства с этим самым DWR покрытием (NIKWAX, например), продающиеся в магазинах, торгующих экстремальной одеждой. [2]

О фактуре ткани

          Rip Stop – обычно используют для топовых, дорогих вещей. Это название способа плетения ткани, которая по своему строению напоминает сетку или соты, как показано на рисунке 3. То есть, в этой фактуре используются как тонкие, так и толстые нити, что позволяет изготавливать прочный и, в тоже время, легкий материал.

Рисунок 3 - способ плетения Rip Stop 

     Twill плетение также часто используют в сноубордической одежде. Это приятный на ощупь гладкий материал, имеющий отличные прочностные характеристики. В последние пару лет очень многие бренды стали представлять в своих коллекциях одежду из джинсовой ткани (Denim) с мембраной. [2,3] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Технологии мембранных тканей GORE-TEX® 

     Гортекс материал и технология, создан для  активной жизни. GoreTex® отличается высокой  водонепроницаемостью и при этом является дышащим материалом. Разработан фирмой W. L. Gore & Associates. В 1969 году Боб  Гор  - в настоящее время президент компании - открыл, что политетрафтортилен может растягиваться и приобретать форму прочного микропористого материала. На рисунке 4 показана структура мембранной ткани GoreTex® 

Рисунок 4 - структура мембранной ткани GoreTex® 

     Основные  свойства материала обеспечивает мембрана Гортекс, очень тонкая политетрафторэтиленовая (PTFE) пленка. Этот совершенно новый растянутый PTFE химически инертен, долговечен, имеет  низкий коэффициент трения и стоек к изменениям погодных условий, микропорист, устойчив к нагрузкам.  

2.1 Структура мембраны.  
 

     Мембрана  Гортекс имеет огромное количество микроскопических отверстий на единицу  площади (1,4 миллиарда пор на см2). В природных условиях, молекулы воды находятся в связанном состоянии, образуя конгломераты из нескольких молекул. Так, размер пор мембраны не превышает размера этого конгломерата молекул воды, что исключает просачивание воды внутрь, за счет того, что поры в 20 тысяч раз меньше капли и в 700 раз больше молекулы воды – рисунок 5 

Рисунок 5 – молекулы воды и поры мембраны в  увеличенном состоянии 

     В виде пара  молекулы, не связанные поверхностным натяжением в газообразном состоянии, легко проходят сквозь мембрану, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6 – прохождение  пара сквозь поры мембраны

     Туннелеобразная структура пор разбивает поток  воздуха на микрозавихрения и  является преградой для ветра (приблизительно так, как густой кустарник), не препятствуя  одиночным молекулам водяного пара – рисунок 7.

Рисунок 7 – увеличенная  туннелеобразная  структура мембраны

_

Размещенный со стороны тела второй слой мембраны за счёт встроенного политетрафторэтиленового олефобного (маслоотталкивающего) вещества исполняет функцию экрана, отторгающего жиры, масла, остатки косметики и соленой воды, которые могут засорить микропоры верхней пленки.[4] 
 
 

2.2 Разновидности материалов GORE-TEX® 
 

2-слойные  материалы GORE-TEX® и GORE-TEX® XCR® 

     2-слойный  материал GORE-TEX® состоит из высококачественной  ткани, прочно соединённой с  мембраной Гортекс. Этот лёгкий  и пластичный материал служит  хорошей защитой в любую пагоду  и подходит для применения  в самых разных областях. При  изготовлении одежды из двухслойного  материала GORE-TEX® необходима свободно  висящая подкладка для защиты  мембраны.

     GORE-TEX®  XCR® представляет собой новую  технологию производства мембран  в сочетании с исключительно  прочными на разрыв и износ  верхними материалами, способность  дышать которых на 25 процентов  выше, чем у классических  материалов GORE-TEX®. Это одежда легкая, мягкая, удобная и в то же время универсальная.

3-слойные  материалы GORE-TEX® и GORE-TEX® XCR® 

     Первый материал GORE-TEX® представлял собой трехслойный материал: высококачественная наружная ткань, прикреплённая к мембране Гортекс и подкладка, прикреплённая к мембране с другой стороны – рисунок8. Трехслойные материалы очень прочны и применяются при высоких нагрузках. Они могут использоваться как для изделий целиком так, так и для изготовления быстроизнашивающихся деталей.

Рисунок 8 – структура  трехслойной мембраны GORE-TEX® 

Одежда  из этого материала  для самых суровых условий, когда кроме способности дышать и постоянной защиты от дождя, особенно важна прочность одежды.

_

GORE-TEX® Performance Shell

     В новинке изменениям подверглись  верхний и нижний защитные слои, вышедшие GORE-TEX® Performance Shell на новый уровень влагозащиты и пароотведения. Гарантирует воздухопроницаемый комфорт и продолжительную влагозащиту. Материал подходит для самых разных видов спорта на свежем воздухе.

_ Имеется в 2 и 3-слойных конструкциях. 2-слойная конструкция: специальная мембрана GORE-TEX® соединяется с наружным слоем, а с внутренней стороны она защищена отдельной подкладкой, при этом ткань - эластичная, легкая и мягкая; 3-слойная конструкция: специальная мембрана GORE-TEX® прикрепляется прочно к внешнему материалу и подкладке - для дополнительной прочности. Специальная ленточная технология GORE-SEAM® гарантирует 100% непромокаемость всех швов.

_

GORE-TEX® Pro Shell

_

GORE-TEX®  Pro Shell - оптимальное решение для  профессионалов видов спорта  на открытом воздухе и серьезных  энтузиастов, которым приходится  сталкиваться с экстремальными  погодными и природными условиями. Изготовлена из самых износостойких, воздухопроницаемых, длительно непромокаемых и ветронепроницаемых тканей. Одежда очень ноская, прекрасно дышит, а так же защищает от воды и ветра – рисунок 9.

_

Рисунок 9 – структура  мембранной ткани, защищающей от суровых условий  окружающей среды

_

     Имеется в 2 и 3-слойных конструкциях: Разработано  из самой прочной, стойкой к разрывам и износостойкой ткани на рынке. 2-слойная конструкция: специальная  мембрана GORE-TEX® крепится к внутренней стороне наружного слоя ткани. Внутренняя часть мембраны защищена отдельной подкладкой.  
3-слойная конструкция: специальная высоко эффективная мембрана GORE-TEX® соединена с прочным внешним материалом и специально для этого разработанной стабильной подкладкой. Специальная ленточная технология GORE-SEAM® гарантирует 100% непромокаемость всех швов.

_  

GORE-TEX® Paclite   

  
_

     Новый многослойный материал GORE-TEX® PACLITE имеет  специальный защитный слой из маслоотталкивающего  вещества и углерода на мембране. Технология нанесения маслоотталкивающего  вещества и интеграции углерода ведёт  к повышению износостойкости  мембраны, благодаря чему можно отказаться от дополнительного подкладочного  материала, который раньше выполнял функцию защиты. Эта новация позволяет  существенно уменьшить общий  вес изделия, что не маловажно. Из - за защитного слоя на мембране одежда не нуждается в дополнительной подкладке. Долговременно непромокаемая и  чрезвычайно воздухопроницаемая. Легкая, компактная и универсальная.

_

     Эластичные  материалы GORE-TEX® XCR Stretch

     Ни  один другой материал не может сравнится  с высококачественным материалом GORE-TEX® XCR Stretch даже после длительного срока  эксплуатации, по сохранению водонепроницаемости  и более высокой способности  дышать (на 25 процентов). Благодаря применению "стрейчтехнологии" одежда обеспечивает большую свободу движений, повторяя при этом форму тела. В категории GORE-TEX® XCR Stretch фирма Gore разработала два вида материалов 2-х и 3-х слойные. Одежда из этого материала идеально подойдёт для тех случаев, когда одежда должна: максимально дышать, повторять форму тела и обеспечивать полную свободу движений. Такая одежда идеальна для скалолазания, альпинизма, горных лыж и сноуборда. 

      GORE-TEX®  XCR Snow  

     Мембрана GORE-TEX® XCR ламинируется к внутренней стороне наружного материала. Оптимально подобранная термоизоляция размещается  между 2-слойным материалом GORE-TEX XCR и  внутренней подкладкой. Применение этих материалов в одежде для зимних видов  спорта представляет собой оптимальную  комбинацию теплоизоляции и воздухопроницаемости. Это одежда для горнолыжников и сноубордистов, когда одинаково важны способность дышать и термоизоляция. [5] 

Подкладочные  материалы GORE-TEX®  LTD 

     GORE-TEX®  Z-Liner - представляет собой материал, где мембрана Gore-Tex свободно размещается  между наружным слоем и внутренней  подкладкой. Такая конструкция позволяет  производителям верхней одежды  выбирать любые материалы из  широкого ассортимента подкладочных  и трикотажных материалов и предлагает большую свободу в конструировании. Этот вариант был самым дешевым в изготовлении и ныне он мало применяется, так как очень сложно сохранить мембрану надолго при активной эксплуатации.

     GORE-TEX®  Light - мембрана накатана на подкладку  - это позволяет производить изделия  сложного кроя с минимальным  количеством проклеенных швов.

     GORE-TEX®  3-Layer laminates – основана на склеивании внешней ткани, мембраны и подкладки, причем подкладка - это очень редкая капроновая сетка, практически вплавленная в мембрану. Это самый легкий вариант Гортекса, так как вещи производятся однослойными, также, следовательно, они очень легко сохнут. Это самый дорогой вариант ткани.

     Одно  из перспективных направлений в  разработке новых материалов - сочетание  разных материалов с суммированием  их свойств. Так появился Windstopper® (Виндстопер), представляющий из себя, например, Polartec®-200(Полартек), внутри которого находится мембрана Gore-Tex®. Это - 100% дышащий и абсолютно  ветронепроницаемый материал. Тепло  и комфорт при меньшем количестве слоев и веса одежды. При производстве многочисленных материалов Windstopper®  мембрана из растянутого политетрафторэтилена прочно соединяется (ламинируется) с  различными текстильными материалами. Сейчас технология Windstopper® позволяет  практически любой текстильный  материал сделать ветронепроницаемым и при этом дышащим, Например шерсть и трикотаж, расширяет возможности  обычной одежды, например пуловеров. Ведь иногда так приятно окунуться  в мир вязанных и мягких трикотажных  вещей, при этом, зная, что в ткань  вплетены новейшие технологии, стоящие  на защите нашего комфорта. [5] 
 

2.4 Оценка качества мембранных материалов 

   Все выпускаемые фирмой W. L. Gore & Associates изделия соответствуют заявленным стандартам качества. Для достижения таких высоких стандартов материалы и готовая одежда постоянно проверяются в рамках программы гарантии качества, как и в независимых институтах, так и в многочисленных лабораториях и полевых испытаниях. Сначала тестируются сами материалы, затем готовые изделия. Проводятся следующие тесты:

• тест на водопроницаемость после изгибания в мокром виде и истирания;
• тест на водонепроницаемость при изгибании при отрицательных температурах;
• тест MVTR определяет какое количество водяного пара в граммах может пройти сквозь квадратный метр ткани в течении 24 часов;
• тест RET измеряет сопротивление материала проницаемости пара из зоны высокой концентрации в зону более низкой. Чем ниже RET тем выше MVTR;
• спрей-тест оценивает водоотталкивающее действие материала;
• дождевая камера Gore, которую проходит каждая новая модель перед запуском в производство, моделирует различные виды дождя от легкой мороси до тропического ливня.

     Специально  продумывается конструкция одежды, дизайн и системы застёжек, предотвращающий  проникновение воды через швы. Все  имеющиеся швы тщательно запечатываются. W. L. Gore & Associates использует собственную  программу обработки швов. Она  включает изготовление клея и ленты GORE-SEAM, технологию обработки швов, контрольное  оборудование и большую группу высококвалифицированных  специалистов по всему миру, задача которых следить за соблюдением  технологий соответственно стандартам W. L. Gore & Associates, что делает продукцию  компании и партнеров достаточно не дешёвой. Впрочем, в отличии от фешен индустрии, здесь мы платим не просто за бренд, а прежде всего  за функциональность, без которой  в некоторых ситуациях просто не обойтись. [5]

2.5 Сфера применения. 

     Изделия фирмы Gore применяются практически  везде. Электроника фирмы Gore применяется в области телекоммуникаций, обработки данных, в авиации, космонавтике и медицинской технике.Медицинская продукция Gore широко используется в частности в качестве имплантантов с сердечно сосудистой хирургии и ортопедии. Продукцию промышленного назначения фирмы Gore используют в фильтрационных установках, для микрофильтрации, для герметизации, а так же в специальных тканях и волокнах.