Объемный синтетический изоляционный материал

Настоящее изобретение относится к изоляционному материалу. Изоляционный материал, выполненный с возможностью увеличения его объема, содержащий множество элементов, выполненных с обеспечением их веерного расхождения и содержащих некоторое количество волокон, сплавленных на одном конце и свободных на противоположном конце. Технический результат заявленного изобретения заключается в том, что полученный изоляционный материал обладает улучшенными теплоизоляционными свойствами, легкостью и гигроскопичностью. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к изоляционному материалу, в частности к материалу, содержащему множество элементов, выполненных с обеспечением их веерного расхождения (елочная структура), подобной структуре натурального пуха, и имеющему форму, позволяющую увеличивать объем материала.

Уровень техники

Известно много попыток создания изоляционного материала, имеющего структуру и свойства пуха, для использования его в изоляционных изделиях, например, в одежде, спальных мешках, одеялах и пр. Предшествующие попытки создания подходящего материала часто приводили к созданию материалов со структурой, отличной от структуры натурального пуха, слишком тяжелых и плотных в отличие от пуховых материалов, при этом полученные материалы с трудом поддаются увеличению объема в процессе обработки их на стандартном оборудовании, например, в процессе раздувания.

Подобные материалы описаны, например, в следующих патентных документах.

В патенте США №988010 описаны трудоемкие средства производства материала, имитирующего перо. Для расхождения или "веерности" отдельных волокон используется их скручивание, однако в соответствии с данным патентом для получения "пера" необходимо использование двух отдельных компонентов.

В патенте США №2713547 описано применение куриных перьев или перьевых волокон, приклеенных к моноволокну для получения искусственного пуха.

В патенте США №3541653 описаны средства производства высокообъемных нитей при помощи сшивания и разрезания полотна, состоящего из увеличиваемых в объеме непрерывных синтетических нитей.

В патенте США №3892919 описан наполнитель, при изготовлении которого смешивают большие сформированные цилиндрически или сферически волокна и опушенные волокна, причем последние применяются для заполнения пустот.

В патенте США №4040371 представлен наполнитель из полиэфирных волокон, включающий смесь штапельного полиэфирного волокна с органическим штапельным волокном.

В патенте США №4040371 представлен наполнитель из полиэфирных волокон, включающий смесь штапельного полиэфирного волокна с органическим штапельным волокном.

В патенте США №4167604 описан улучшенный теплоизоляционный материал, представляющий собой смесь пуха с синтетическим штапельным волокном, образованным полыми полиэфирными нитями, которые могут быть силиконизированы и выполнены в виде кардной ткани.

В патенте США №4248927 описан изоляционный материал, включающий сочетание натурального пера и пуха и синтетических полиэфиров, образующее сеть.

В патенте США №4259400 описан набивочный материал, имитирующий натуральное перо и состоящий из гибких нитевидных текстильных элементов, к двум сторонам которых прикреплены текстильные волокна. В патенте США №4468336 описан изоляционный материал с рыхлым наполнителем, предназначенный для заполнения пустот. Изоляционный материал содержит смесь рыхлого целлюлозного изолирующего материала со штапельным волокном.

В патенте США №4588635 описан синтетический пух высшего качества, и, в частности, легкие теплоизоляционные системы, которые могут быть выполнены за счет использования тонких волокон в структурах низкой плотности. В данном патенте также описан ряд смесей волокон, имеющих преимущество при изготовлении из них изоляционного материала, так как получаемый материал имеет характерные для пуха свойства, такие как оптимальное соотношение веса и способности сохранять тепло, мягкость на ощупь и хорошие показатели восстановления формы после сжатия. Этот материал приближается по теплоизоляционным свойствам к натуральному пуху, а в некоторых случаях даже превосходит по своим свойствам натуральный пух. С точки зрения механики использование очень тонких волокон может привести к недостаточной жесткости и прочности, и, таким образом, к затруднениям в их производстве, обработке и применении. Свойства восстановления формы после сжатия такого синтетического изоляционного материала могут быть улучшены за счет увеличения диаметра волокон, однако увеличение количества больших волокон в целом значительно уменьшает теплоизоляционные свойства. Структуры из тонких волокон во влажном состоянии обладают недостаточной стойкостью к механическим воздействиям, так как силы поверхностного натяжения у капиллярной воды значительно больше, чем силы поверхностного натяжения, возникающие благодаря силе тяжести или прочим нагрузкам в условиях нормальной эксплуатации, и оказывают гораздо более сильное отрицательное воздействие на структуру. Однако, в отличие от пуха водоплавающих птиц, описанная смесь волокон не обеспечивает превосходных водоотталкивающих свойств.

В патенте США №4992327 описано применение связующих волоконных компонентов, увеличивающих прочность изоляционного материала без уменьшения заданных характеристик. Описанное изобретение, в частности, относится к теплоизоляционному материалу из синтетического волокна, имеющего цельную волокнистую структуру, включающую: а) синтетическое полимерное микроволокно диаметром от 3 до 12 микрон - в количестве от 70 до 95 процентов весового содержания; и б) синтетическое полимерное микроволокно диаметром от 12 до 50 микрон - в количестве от 5 до 30 процентов весового содержания, причем по меньшей мере некоторые из волокон соединены в контактных точках таким образом, что плотность конечной структуры находится в пределах от 3 до 16 кг/м³. Полученные соединения имеют практически такие же теплоизоляционные свойства, как и соединения, в которых волокна не связаны между собой. В указанном патенте описаны предпочтительные волокнистые смеси, выполненные в виде кластеров, напоминающих по форме пух. В патенте раскрыты также явные преимущества формы кластеров над формой витков.

В патенте США №5057116 описан изоляционный материал, сформированный посредством смешивания связующих волокон с изоляционными волокнами. Изоляционные волокна выбирают из группы, включающей синтетические и натуральные волокна, сформированные в виде материала, который может быть разрезан с получением любой необходимой формы.

В патенте США №5458971 описана волокнистая смесь, применяемая в качестве волокнистого наполнителя в швейных изделиях. Смесь волокнистого наполнителя содержит извитое полое полиэфирное волокно и извитое связующее волокно.

Из патента США №5492580 известен также материал, сформированный посредством смешивания первичных термопластичных, термореактивных, неорганических или органических волокон со вторичными термопластичными волокнами.

В патенте США №5624742 описан изоляционный материал, предназначенный для нагнетания под давлением и состоящий из смеси первичных и вторичных изоляционных волокнистых материалов (стекловолокно). Волокна одной группы имеют меньший размер, чем волокна другой группы, и используются для заполнения пустот между более крупными волокнами.

Однако известные из уровня техники волокнистые смеси в виде кластеров, как правило, изготавливаются вручную, при этом процесс изготовления является поэтапным, медленным и трудоемким. Кроме того, некоторые материалы, известные из уровня техники, не относятся к материалам, которые могут легко увеличиваться в объеме, например к раздуваемым материалам, и, следовательно, такие материалы не могут обрабатываться на стандартном производственном оборудовании.

Следует отметить, что изоляционный материал, описанный в уровне техники, может быть выполнен в различных формах, например, в виде штапельного волокна различных размеров, в виде полых и сплошных волокон, а также извитых волокон и пр. Также известны различные формы, например сферы (патент США №4065599), сферы с выступающими волокнами с возможностью их сцепления (патент США №4820574), извитые пучки волокон (патент США №4418103), структуры из замкнутых волокон (патент США №4555421), валики из волокон, петлеобразные волокна, жгуты и подушечкообразные формы (патент США №3892909).

В качестве изоляционных материалов/наполнителей также используют кластеры волокон, выполненные из расслоенного волоконного материала, описанные, например, в патенте США №6329051 под названием "Объемные изоляционные кластеры", и такие же пучки с примесями натуральных волокон, например пуха, описанные в патенте США №6329051 "Объемный изоляционный материал".

Различные пути создания альтернативных, но схожих с вышеописанными форм изоляционного материала включают производство волокнистого наполнителя или волокнистых шариков. К другим синтетическим материалам, служащим альтернативой натуральному изоляционному материалу, относится материал, предложенный в патенте США №5851665, описывающем точечное соединение жгутов волокна. Другой способ, описанный в патенте США №5218740, представляет собой подачу однородного слоя штапельного волокна во вращающийся цилиндр, покрытый кардной лентой, и скручивание волокна в округлые пучки, транспортируемые специальным экраном съемного барабана. Прочие способы включают раздувание и встряхивание волокна в струе воздухе с образованием шариков, (например, патенты США №4618531; №4783364; и №4164534).

Описанные выше материалы обладают несомненными преимуществами, однако необходимо их дальнейшее усовершенствование и/или создание альтернативных форм.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, основной задачей настоящего изобретения является создание изоляционного материала, обладающего превосходными теплоизоляционными свойствами, легкостью, удобством и гигроскопичностью. Эти свойства проявляют некоторые из вышеуказанных материалов, однако в предлагаемом материале данные свойства достигаются за счет использования елочной структуры, наиболее близкой к структуре натурального пуха, и за счет выполнения материала в форме, позволяющей увеличивать объем материала.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание более дешевого изоляционного материала, заменяющего натуральный пух.

Другой задачей настоящего изобретения является создание сплошного изоляционного материала», в котором волокна соединены между собой связующим веществом, что позволяет уменьшить вероятность протыкания ткани-покрытия волокнами.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления такого изоляционного материала, который обеспечивает возможность изменения технических характеристик и свойств получаемого изделия.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание способа выполнения, применимого для использования большого количества термопластических материалов.

Перечисленные и другие задачи решаются в настоящем изобретении. Настоящее изобретение направлено на получение изоляционного материала из синтетического пуха. Этот материал подобен материалу, известному под торговой маркой Primasoft®, принадлежащей международной корпорации Олбани (Albany International Corp.). Материал состоит из большого количества ветвящихся структур, каждая из которых имеет несколько отдельных волокон или нитей, соединенных или сплавленных с одного конца и свободных с другого конца. Таким образом, получают елочную структуру, сходную со структурой натурального пуха. Кроме того, существует много разновидностей указанной структуры, включая структуры, в которых, например, все волокна имеют одинаковый диаметр, все волокна выполнены из одного материала, структуры из смеси волокон разных диаметров и волокон, выполненных из разных материалов, структуры с основным волокном большего диаметра и окружающими его волокнами меньшего диаметра, структуры с прямыми и извитыми волокнами. Все указанные структуры позволяют изменять окончательные свойства изоляционного материала в зависимости от требований, предъявляемых к данному материалу.

В изобретении также описан способ изготовления материала. Сначала получают многоволоконную пряжу, имеющую непрерывную форму. Волокна пряжи могут быть закручены, заплетены или закручены вокруг центрального волокна. Затем пряжу на большой скорости подают через устройство, в котором мощный тепловой источник с короткой выдержкой времени осуществляет прерывистую заплавку пряжи, после чего пряжа разрезается на отрезки заданной длины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Таким образом, решаются задачи и достигаются преимущества настоящего изобретения, описанные ниже со ссылками на чертежи, на которых:

фиг.1 изображает вид сбоку в разрезе образца структуры натурального пуха;

фиг.2А-2В изображают вид сбоку изоляционного материала, имеющего форму, позволяющую увеличивать объем материала и характеризующуюся наличием заплавленного конца и нескольких свободных волокон в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 представляет собой боковой вид, на котором показаны способ и устройство для изготовления изоляционного материала в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ

ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.2А изображен общий вид изоляционного материала, выполненного в форме, позволяющей увеличивать объем материала, в соответствии с настоящим изобретением. Структура 10 изоляционного материала содержит некоторое количество отдельных волокон 12, соединенных или сплавленных на одном конце 14 и свободных на противоположном конце. Таким образом, структура 10 изоляционного материала представляет собой елочную или ветвящуюся структуру наподобие структуры натурального пуха, изображенной на фиг.1.

Структура 10 изоляционного материала может содержать волокна 12 одинакового диаметра, как показано на фиг.2А, или, альтернативно, может содержать основное волокно 16 большего диаметра, окруженное многочисленными свободными волокнами 12 меньшего диаметра, как показано на фиг.2 В. Кроме того, количество и длину волокон 12 можно варьировать. Структура 10 изоляционного материала также может иметь прямые волокна, как показано на фиг.2А и 2В, или извитые волокна (не показаны).

Структура 10 изоляционного материала может включать разнообразные термопластические материалы, пригодные для использования в данном изобретении и известные специалистам, однако использование материалов, отличных от термопластов, также возможно. Кроме того, все волокна 12 и 16 структуры 10 изоляционного материала могут быть выполнены из одного материала или из смеси разных материалов для обеспечения, например, более широкого спектра характеристик. Наконец, волокна 12, 16 могут быть обработаны, например, силиконом для придания водоотталкивающих свойств.

Настоящее изобретение также предназначено для создания способа получения структур 10 изоляционного материала, как показано на фиг.3. На первом этапе способа производят многоволоконную пряжу 20, содержащую составляющие ее материалы в непрерывной форме. Такой предварительный материал 20 может быть изготовлен несколькими способами (не показаны), включая один из следующих способов: простую скрутку вместе волокон из множества компонентов, переплетение волокон, закручивание вокруг основного волокна, или с использованием прочих технологий. Полученный таким образом материал 20, приготовленный для обработки на втором этапе, описанном ниже, может храниться на бобине 22.

На втором этапе указанного способа предварительный материал 20 на большой скорости подают через роллеры 26 в устройство 24, которое осуществляет две функции. В устройстве 24 сначала выполняют периодическое сплавление материала 20, а затем, почти сразу, разрезают его на отрезки заданной длины. Полученные таким образом структуры 10 изоляционного материала перемещают посредством потока воздуха, вакуума, электростатики, механических средств или прочих пригодных средств.

В плавильном/отрезном устройстве 24 материал 20 может быть сплавлен посредством мощного теплового источника с короткой выдержкой времени, например, с помощью синхронных лазерных лучей 28, которые достигают больших температур за короткий период времени и являются легкоуправляемыми. Лазерные лучи 28 могут применяться как для сплавления, так и для разрезания материала 20. Изменяя мощность или время задержки, материал 20 сначала сплавляют, а затем испаряют, получая требуемую длину. Альтернативно, материал 20 может разрезаться механически с большой скоростью, для того чтобы участки разрезания совпадали со сплавленными участками (не показаны).

При формировании материала 20 на предварительной стадии путем описанного выше процесса скручивания необходимо учитывать, что при последующем разрезании за счет действия крутящего момента обеспечивается расхождение или веерность получаемых волокон 12, 16, показанных на фиг.2А и 2В. Такая веерность является очень важным фактором для приобретения изоляционным материалом необходимых свойств. Применение электростатических эффектов может дополнительно способствовать усилению веерности отдельных волокон 12, 16. В связи с этим, изменение угла закручивания обуславливает большую или меньшую степень разделения волокон 12, 16 в соответствии с заданным требованиями.

Таким образом, в данном изобретении решаются поставленные задачи и реализуются соответствующие преимущества, и несмотря на то, что в настоящем описании рассмотрено нескольких вариантов реализации изобретения, эти варианты приведены только в качестве примеров и не ограничивают объем изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения

1. Изоляционный материал, выполненный с возможностью увеличения его объема, содержащий множество элементов, выполненных с обеспечением их веерного расхождения и содержащих некоторое количество волокон, сплавленных на одном конце и свободных на противоположном конце.

2. Изоляционный материал по п.1, отличающийся тем, что все волокна имеют одинаковый диаметр.

3. Изоляционный материал по п.1, отличающийся тем, что указанный элемент содержит основное волокно большего диаметра, окруженное волокнами меньшего диаметра.

4. Изоляционный материал по п.1, отличающийся тем, что волокна выполнены прямыми.

5. Изоляционный материал по п.1, отличающийся тем, что волокна выполнены извитыми.

6. Изоляционный материал по п.1, отличающийся тем, что элементы содержат термопласт.

7. Изоляционный материал по п.1, отличающийся тем, что элементы содержат материал, отличный от термопласта.

8. Изоляционный материал по п.1, отличающийся тем, что все элементы содержат одинаковый материал.

9. Изоляционный материал по п.1, отличающийся тем, что элементы содержат смесь разных материалов.

10. Изоляционный материал по п.9, отличающийся тем, что смесь разных материалов обеспечивает более широкий спектр характеристик.

11. Изоляционный материал по п.1, отличающийся тем, что волокна имеют разную длину.

12. Изоляционный материал по п.1, отличающийся тем, что волокна обработаны для обеспечения водоотталкивающих характеристик.

13. Устройство для производства изоляционного материала, содержащее:
средства производства непрерывного многоволоконного материала;
средства подачи указанного материала на плавильный/отрезной участок;
средства периодического сплавления указанного материала;
средства разрезания указанного материала на отдельные элементы заданной длины для обеспечения формы, позволяющей увеличивать объем материала, при этом каждый элемент выполнен с обеспечением его веерного расхождения и содержит некоторое количество волокон, сплавленных на одном конце и свободных на противоположном конце.

14. Способ производства изоляционного материала, включающий следующие этапы:
формирование непрерывного многоволоконного материала;
подачу указанного материала;
периодическое сплавление подаваемого материала; и
разрезание материала на конечные элементы заданной длины для обеспечения формы, позволяющей увеличивать объем материала, при этом каждый элемент выполнен с обеспечением его веерного расхождения.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что каждый элемент имеет разветвленную структуру, характеризующуюся наличием некоторого количества волокон, сплавленных на одном конце и свободных на другом конце.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что многоволоконный материал формируют посредством скручивания вместе многокомпонентных волокон, переплетения волокон или закручивания волокон вокруг некоторого основного волокна.

17. Способ по п.14, отличающийся тем, что сплавление выполняют с использованием высокотемпературного теплового источника с короткой выдержкой времени.

18. Способ по п.14, отличающийся тем, что сплавление выполняют с использованием синхронных лазерных лучей.

19. Способ по п.14, отличающийся тем, что разрезание осуществляют посредством одного из синхронных лазерных лучей или с помощью механических средств.

20. Способ по п.14, отличающийся тем, что сплавление и разрезание выполняют с использованием синхронных лазерных лучей, изменяя мощность или время выдержки, так что материал сначала сплавляют, а затем испаряют.

21. Способ по п.14, отличающийся тем, что при разрезании действие крутящего момента на волокна обеспечивает их последующее веерное расхождение.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что для облегчения веерного расхождения волокон используют электростатические эффекты.

23. Способ по п.14, отличающийся тем, что дополнительно включает этап, на котором после разрезания элементы перемещают посредством потока воздуха, вакуума, электростатики или механических средств.