Способ получения электропроводящего текстильного материала
Владельцы патента RU 2505256:
Российская Федерация, от имени которой высупает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)
Открытое акционерное общество Научно-производственный комплекс "ЦНИИШерсть" (RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (ФГБОУ ВПО ИГХТУ) (RU)
Изобретение относится к модификации поверхностных свойств тканых и нетканых текстильных материалов методом магнетронного распыления и может быть использовано для изготовления материалов, обладающих электрической проводимостью и экранирующих электромагнитное излучение. Способ включает вакуумирование и нанесение тонкого металлического слоя методом магнетронного распыления на полимерную пленку, которую затем склеивают с текстильной тканью металлическим слоем вовнутрь или наружу, а вакуумирование полимерной пленки осуществляют до давления (1-10)×10-5 мм рт.ст. Обеспечиваются условия для создания на текстильном материале из любых нитей и волокон сплошного металлического слоя, обладающего электрической проводимостью и экранирующими свойствами. 3 табл., 3 пр.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к способам модификации поверхностных свойств тканых и нетканых текстильных материалов методом магнетронного распыления и может быть использовано для изготовления материалов, обладающих электрической проводимостью и защищающих от воздействия электромагнитного излучения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен способ изготовления материала для экранирования электромагнитного излучения, [патент РФ 2055450 опубликованный 27.02.1996 г.]. Способ основан на химическом и гальваническом покрытии рулонного материала последовательно сульфидными, металлическими и оксидно-сульфидными или хроматными слоями. Аналогичный способ описан в патенте РФ 2102801, опубликованный 20.01.1998 г.
Однако, из-за применения высокотоксичных химических соединений: соли тяжелых металлов, концентрированные кислоты и другие химические соединения, способ находит весьма ограниченное применение, а в странах Западной Европы предприятия, использующие данный способ для металлизации текстильных материалов, закрываются из-за возникающих серьезных экологических проблем. Кроме того, металлизированные по данному способу текстильные материалы имеют очень плохой гриф (очень жесткие на ощупь) и весьма непривлекательный внешний вид, что практически исключает их использование для изготовления одежды.
Наиболее близким техническим решением, т.е. прототипом, является способ модификации поверхности текстильного материала, описанный в патенте РФ 2398045, опубл. 27.08.2010 г. Способ включает обезгаживание текстильного материала в ходе вакуумирования с обработкой материала в низкотемпературной плазме тлеющего разряда неполимеризующегося газа с последующим нанесением на его поверхность металлического покрытия методом магнетронного распыления.
Приведенный способ осуществляется при относительно глубоком вакууме и позволяет наносить на поверхность материала тонкие пленки меди, алюминия, титана, латуни, серебра, золота, нержавеющей стали, бронзы, вольфрама и других металлов, их сплавов и соединений, например, нитрида и двуокиси титана, окиси алюминия, цинка и др. Способ-прототип позволяет получать, в том числе, и электропроводящие материалы с экранирующими электромагнитные излучения свойствами.
Однако, данный способ обладает и существенными недостатками:
а) из-за невозможности создания сплошного металлического слоя способ не позволяет получить электрическую проводимость (экранирующие свойства) на тканях из мультифиламентных нитей;
б) вакуумирование текстильных материалов высокой поверхностной плотности (>200 г/м2) , особенно из натуральных волокон, вызывает серьезные затруднения, что приводит к увеличению длительности процесса, а значит - к существенному удорожанию конечного продукта.
Поверхность ткани или нетканого материала не представляет собой сплошного слоя. Имеются пространства, заполненные нитями, волокнами, а также пустоты. Имеются точки пересечения нитей основы и утка. В ходе магнетронного распыления очень тонкая пленка металла лишь повторяет рельеф поверхности и не образует сплошного электропроводящего слоя. В связи с этим методом магнетронного распыления практически невозможно получить электропроводящую структуру на основе тканей из мультифиламентных нитей обычного переплетения.
В то же время поверхность полимерных пленок (полиэфирных, полипропиленовых, полиэтиленовых, полиуретановых, полиимидных и др.) представляют собой однородную сплошную структуру. В связи с этим нет проблем в получении электропроводящих слоев при магнетронном напылении металлов на указанные полимерные пленки. Однако, во многих случаях применение тонких полимерных пленок для эффекта экранирования от электромагнитного излучения или в качестве электропроводящего покрытия не представляется возможным. Речь идет, в частности, о материалах, используемых для создания одежды. В связи с этим большой интерес представляют собой материалы, сочетающие свойства тканей и пленок. Это ткани или нетканые материалы, дублированные (склеенные с) полимерными пленками. Такие материалы обладают хорошими прочностными характеристиками, долговечностью, драпируемостью, присущими текстильным материалам и в то же время, на них легко можно получить сплошной слой металла, а значит - электропроводность и экранирующие свойства.
Однако, в ряде случаев, металлизация дублированных тканей по способу-прототипу представляет серьезную, а иногда и неразрешимую проблему, связанную с весьма длительным обезгаживанием и откачкой материала в ходе подготовительных операций, т.к. влага мешает процессу магнетронного распыления. Это касается, прежде всего, текстильных материалов из натуральных волокон. Так, например, шерстяные волокна обычно содержат 15-18% влаги, прочно удерживаемой в порах волокон, а кондиционная влажность хлопка составляет 5-6%. Таким образом, в рулоне шерстяной ткани диаметром 700 мм весом 200 кг содержится до 36 кг воды. Для полного удаления такого количества воды в ходе вакуумирования до давления 5×10-5 мм рт. ст. необходима непрерывная работа вакуумных насосов в течение 96 часов. Это неприемлемо с точки зрения экономической целесообразности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение условий для создания на текстильном материале из любых нитей и волокон сплошного металлического слоя, ответственного за электрическую проводимость и экранирующие свойства, а также существенная интенсификация вакуумирования, являющегося лимитирующей операцией процесса. Это позволит: а) существенно повысить производительность процесса металлизации; б) улучшить качество материалов; в) расширить номенклатуру текстильных материалов, на которых методом магнетронного распыления возможно получить электропроводность и экранирующий эффект;
Поставленная задача решена таким образом, что вакуумирование и нанесение металлического покрытия методом магнетронного распыления вначале производится на тонкую полимерную пленку, после чего пленка с металлическим покрытием склеивается с поверхностью текстильной ткани металлическим слоем вовнутрь или наружу, при этом вакуумирование осуществляют до давления (1-10)×10-5 мм рт.ст.
Металлический слой наносится на полимерную пленку отдельно от текстильной ткани, являющейся основным источником газовыделений, после чего металлизированная полимерная пленка склеивается (дублируется) с текстильным материалом металлическим слоем вовнутрь или наружу.
Полимерная пленка может быть любой из перечисленных: полиуретановая (ПУ), полиэфирная (ПЭФ), полиамидная (ПА), полиэтиленовая (ПЭ), полипропиленовая (ПП), полиимидная (ПИ), политетрофторэтиленовая (ПТФЭ), поливинилхлоридная (ПВХ), поливинилспиртовая (ПВС).
Для нанесения металлического покрытия могут быть использованы такие металлы, как медь, алюминий, титан, цинк, серебро, золото, вольфрам, а также такие сплавы, как бронза, латунь, нержавеющая сталь и иные диамагнитные металлы и сплавы.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков заявляемого способа с достижением указанного технического результата.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1
Полиуретановую пленку LB 15-TW BR152 толщиной 15 мкм в количестве 460 м вакуумировали при перемотке до давления (2-8)×10-5 мм рт.ст. и металлизировали медью методом магнетронного распыления в течение 3 минут. Далее пленку склеивали (дублировали) с хлопчатобумажной тканью арт.3224 саржевого переплетения металлическим слоем наружу на скорости 15 м/мин. методом нанесения жидкого клея на ткань и пропусканием сэндвича через прижимные валы.
Для сравнения приводим пример осуществления процесса по способу-прототипу.
Рулон хлопчато-бумажной ткани арт.3224 саржевого переплетения с полиуретановым покрытием, установленный в машине магнетронного распыления, подвергали вакуумированию до давления 5×10-5 мм рт.ст. Количество ткани в рулоне - 460 м. Поверхностная плотность ткани -240 г/м2. После окончания вакуумирования на поверхность полиуретанового покрытия методом магнетронного распыления наносили тонкую пленку меди при тех же параметрах в течение 3 минут.
Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||
| Показатели | Способ-прототип | Заявляемый способ |
| Время вакуумирования до р=5×10-5 мм рт.ст., часов | 48 | 2,9 |
| Затраты на вакуумирование, кВт час | 1440 | 86 |
| Суммарное время обработки, часов | 64,6 | 20 |
| Поверхностное сопротивление металлизированной ткани, Ом/кв | 1,2 | 0,8 |
| Экранирующая способность ткани, Дб | 35 | 45 |
Как видно из таблицы 1 , заявляемый способ позволяет более, чем в 16 раз уменьшить время вакуумирования ткани и энергетические затраты, связанные с вакуумированием материала, более, чем в 3 раза сократить суммарное время обработки, на 30% уменьшить поверхностное сопротивление ткани и примерно на столько же процентов увеличить ее экранирующие свойства.
Пример 2
Поливинилхлоридную пленку толщиной 20 мкм в количестве 320 м вакуумировали до давления (1-10)×10-5 мм рт.ст. и металлизировали алюминием, а затем пленку склеивали (дублировали) с шерстяной тканью поверхностной плотностью 260 г/м2 шириной 152 см металлическим слоем, обращенным к шерстяной ткани, методом нанесения на ткань термопластичного полимерного порошка с последующим нагревом на прижимных валах на скорости 15 м/мин.
Для сравнения приводим пример осуществления процесса по способу - прототипу.
Рулон шерстяной ткани с полиуретановым покрытием поверхностной плотностью 260 г/м2 шириной 152 см в количестве 320 м устанавливали в установку магнетронного распыления и подвергали вакуумированию до давления 5×10-5 мм рт.ст. После откачки на поверхность полиуретанового покрытия наносили тонкую пленку алюминия методом магнетронного распыления в течение 3 минут.
Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице 2.
| Таблица 2 | ||
| Показатели | Способ-прототип | Заявляемый способ |
| Время вакуумирования до p=5×10-5 мм рт.ст., часов | 54 | 2 |
| Затраты на вакуумирование, кВт час | 1620 | 60 |
| Суммарное время обработки, часов | 65,3 | 12,7 |
| Поверхностное сопротивление металлизированной ткани, Ом/кв | 2,1 | 1,5 |
| Экранирующая способность ткани, Дб | 30 | 40 |
| Экранирующая способность ткани после стирки, Дб | 15 | 35 |
Как видно из таблицы 2 , заявляемый способ позволяет в 27 раз меньшить время вакуумирования и энергетические затраты, связанные с вакуумированием материала, более, чем в 5 раз сократить суммарное время обработки, на 30% уменьшить поверхностное сопротивление ткани и примерно на столько же процентов увеличить ее экранирующие свойства. Кроме того, дублирование (склеивание) пленки металлическим слоем вовнутрь позволяет заметно уменьшить истираемость металлического покрытия и экранирующая способность ткани не исчезает даже в ходе стирок.
Пример 3
Полиэфирную пленку толщиной 12 мкм в количестве 160 м вакуумировали до давления (4-9)×10-5 мм рт.ст. и металлизировали нержавеющей сталью методом магнетронного распыления в течение 4 минут, а затем склеивали (дублировали) с арамидной тканью «Русар» арт.56319 при помощи термопластичной полимерной пленки с прогревом сэндвича на прижимных валах на скорости 12 м/мин.
Пример осуществления процесса по способу - прототипу.
Рулон из арамидной ткани «Русар» арт.56319 с полиуретановым покрытием поверхностной плотностью 350 г/м2 в количестве 160 м устанавливали в установку магнетронного распыления и подвергали вакуумированию до давления 5×10-5 мм рт.ст. После откачки на поверхность полиуретанового покрытия наносили тонкую пленку нержавеющей стали методом магнетронного распыления по способу-прототипу в течение 4 минут.
Результаты сравнительных испытаний образцов представлены в таблице 3.
| Таблица 3 | ||
| Показатели | Способ-прототип | Заявляемый способ |
| Время вакуумирования до р=5×10-5 мм рт.ст., часов | 36 | 1 |
| Затраты на вакуумирование. кВт час | 1080 | 30 |
| Суммарное время обработки, часов | 41,7 | 6,9 |
| Поверхностное сопротивление металлизированной ткани, Ом/кв | 3,1 | 2,5 |
| Экранирующая способность ткани, Дб | 25 | 30 |
Как видно из таблицы 3 , заявляемый способ позволяет в 36 раз уменьшить время вакуумирования ткани и энергетические затраты, связанные с вакуумированием материала, более, чем в 6 раз сократить суммарное время обработки, в 1,2 раза уменьшить поверхностное сопротивление ткани и на 20% улучшить ее экранирующие свойства.
Результаты испытаний показали, что заявляемый способ получения текстильного материала, обладающего электрической проводимостью и экранирующими свойствами, позволяет в 10-40 раз уменьшить время вакуумирования материала и энергетические затраты, связанные с вакуумированием; в 3-6 раз уменьшить суммарное время обработки. При этом, в связи с уменьшением газовыделений в ходе напыления металлического слоя, существенно (на 10-30%) улучшается качество покрытий. Как видно из представленных примеров, громадные энергетические и временные затраты на вакуумирование шерстяных и других материалов большой поверхностной плотности (более 200 г/м2) делают обработку данных материалов экономически нецелесообразной. В то же время обработка указанных материалов по заявляемому способу экономически оправдана. Это позволяет говорить о том, что заявляемый способ расширяет ассортиментную базу для металлизации текстильных материалов на сегмент материалов повышенной поверхностной плотности.
Способ получения электропроводящего текстильного материала, экранирующего электромагнитные излучения, включающий вакуумирование и нанесение тонкого металлического слоя методом магнетронного распыления, отличающийся тем, что вакуумированию и нанесению металлического слоя подвергают полимерную пленку, которую затем склеивают с текстильной тканью металлическим слоем вовнутрь или наружу, а вакуумирование полимерной пленки осуществляют до давления (1-10)×10-5 мм рт.ст.
