Как максимизировать эффективность ПДМС в текстильной и строительной отраслях?

Последовательность формирования полидиметилсилоксана (PDMS) придаёт материалу особые свойства, обеспечивая исключительную устойчивость как к воде, так и к маслу. Включение в состав полимеров, представляющих собой смесь силоксанов и PDMS, обеспечивает их бесшовную интеграцию в ткань: компонент силоксана обеспечивает адгезию к волокнам ткани, а компонент PDMS — формирование поверхностного слоя на ткани. Полимеризованные компоненты PDMS создают беспрецедентно гидрофобную поверхность за счёт молекулярной экспрессии, а также отталкивают распространённые масла, придавая ткани одновременно гидрофобные и олеофобные свойства, сохраняющиеся на протяжении всего срока службы материала. В результате данного процесса углы смачивания поверхности составляют более 150° по отношению к воде и около 130° по отношению к маслам. Наиболее уникальной особенностью PDMS является то, что в отличие от фторсодержащих износостойких покрытий, которые растрескиваются при изгибе и деформации, покрытие на основе PDMS сохраняет свои олеофобные и гидрофобные свойства в течение длительного срока эксплуатации при высоком уровне стойкости к истиранию.

Сравнительное тестирование эффективности: PDMS по сравнению с фторсодержащими покрытиями по методикам AATCC 118 и ISO 14419

Хотя фторсодержащие системы обеспечивают несколько более высокую стойкость к маслам, PDMS по-прежнему соответствуют функциональным требованиям для большинства видов одежды, рабочей формы и технических текстильных изделий, включая изделия, соответствующие стандартам OEKO-TEX® Standard 100 и bluesign®. Отсутствие углерод-фторных связей в PDMS исключает риск биоаккумуляции, а также устойчивого ущерба окружающей среде и регуляторных рисков, связанных с ПАУФ (ПФАС).

Внедрение PDMS и возможные новые маркетинговые возможности обусловлены новыми ограничениями ЕС на ПАУФ (ПФАС) и другими недавно введёнными нормативными актами Агентства по охране окружающей среды США (EPA).

Законодательство, требующее поиска альтернатив ПФАС, развивается стремительно. Примерами служат недавние дополнения к регламенту REACH ЕС в 2023 г. и стратегический план Агентства по охране окружающей среды США (EPA) на 2021–2024 гг. Это замечено производителями текстиля, и многие из них переходят на силиконовые водо- и маслозащитные составы. Согласно отраслевым отчётам, с 2022 г. применение таких материалов увеличилось почти на 60 %. Производители подчёркивают статус ПДМС как вещества, безопасного для использования в пищевой промышленности (GRAS), а также простоту его интеграции в существующие производственные процессы. В то время как другие потенциальные варианты (например, биологические решения и гибридные химические составы) всё ещё находятся на стадии оценки, ПДМС остаётся предпочтительным решением благодаря своей проверенной надёжности, полному соответствию действующим нормативным требованиям и лёгкости внедрения в существующие производственные процессы. Именно поэтому ПДМС считается наиболее перспективным кандидатом для обеспечения защиты текстиля от масла и воды без применения ПФАС.

Функциональные характеристики ПДМС можно регулировать путём изменения его молекулярной массы и степени сшивания. PDMS с более короткими цепями, например F-3600, формирует более плотный поверхностный слой, что обеспечивает угол смачивания водой свыше 140°, однако при этом достигается очень низкий (и нежелательный) уровень транспирации (< 15 г/м²/24 ч). Такие модификации ПДМС могут применяться в производстве медицинской и спортивной одежды, где комфорт является критически важным фактором. Напротив, PDMS с более длинными цепями, например F-12000, образует более обширные молекулярные переплетения, что приводит к усилению межслойных связей и повышению стойкости к стирке — более 20 циклов в соответствии со стандартом ISO 6330 (при этом сшивание снижает воздухопроницаемость). Степень сшивания во многом определяет баланс описанных эксплуатационных характеристик.

Для защитной одежды промышленных рабочих, где чрезвычайно важна стойкость к истиранию, сбалансированное применение материалов типа F-12000 обеспечивает наилучшее общее сочетание долговечности и стойкости к истиранию в соответствии со стандартами ISO 12947-2. В то же время продукты на основе F-3600, как правило, ориентированы на сферы применения, требующие более высокого уровня комфорта. По результатам промышленных испытаний особенно примечателен тот факт, что некоторые материалы со средней длиной цепи (при соответствующем сшивании) сохраняют контактные углы свыше 130 градусов после 50 циклов испытания на истирание по методу Мартиндейла. Это примерно на 35 % выше показателя, достигаемого при использовании традиционных силоксановых составов, с точки зрения баланса между долговечностью и комфортом. Эти результаты были опубликованы в 2023 году в журнале «Textile Chemistry» — международном рецензируемом научном издании.

Оценка долгосрочной долговечности покрытия на основе ПДМС на реальных текстильных материалах

Что касается долговечности покрытий на основе ПДМС, они обладают превосходной устойчивостью к стирке и сохраняют водоотталкивающие свойства даже после более чем 20 промышленных циклов стирки
(данные по стандартам ISO 6330/12945-2). Покрытия на основе ПДМС теряют лишь 15 % своей водоотталкивающей способности, тогда как восковые и акриловые альтернативы теряют более 50 % своих водонепроницаемых свойств уже после 10 циклов стирки. Почему покрытия на основе ПДМС показывают наилучшие результаты? На стадии отверждения покрытий на основе ПДМС образуются прочные химические связи с волокнами ткани, которые противостоят самым агрессивным моющим средствам и чистящим агентам, а также выдерживают абразивное воздействие на ткань при многократных стирках. Некоторые из этих специальных запатентованных составов сохраняют угол смачивания при контакте с водой более 140 градусов даже после 50 стирок. Это означает, что такие покрытия идеально подходят для критически важных технических и защитных применений — например, для форменной одежды пожарных и верхней одежды для активного отдыха, где требуется водоотталкивающее покрытие, устойчивое к промышленным циклам стирки.

Применения с высоким коэффициентом трения: стойкость к истиранию и эксплуатационные характеристики при механическом износе

Возможно, одним из самых неожиданных и выдающихся применений ПДМС является его превосходная стойкость к износу в экстремальных условиях, например, в автомобильных салонах, тканях военного назначения и промышленной рабочей одежде. Ткани с покрытием из ПДМС прошли испытания по стандарту ISO 12947-2 и продемонстрировали снижение массы менее чем на 5 % и отсутствие нарушения целостности покрытия после 50 000 (пятидесяти тысяч) циклов. В отличие от этого, некоated ткани без поперечного сшивания теряют до 20 % массы и демонстрируют серьёзное разрушение покрытия при том же количестве циклов. Поперечное сшивание ПДМС чрезвычайно выгодно, поскольку его эластомерные свойства обеспечивают равномерное распределение механических напряжений по всей поверхности покрытия. Это идеально подходит для предотвращения возникновения и распространения микротрещин при многократном изгибе и сжатии покрытия. Однако наиболее важным является то, что вся эта защита обеспечивается без ущерба для воздухопроницаемости. Защитные ткани с покрытием из ПДМС обеспечивают надёжную защиту пользователя от всех потенциальных опасностей, не нарушая при этом его комфорт. Данная особенность особенно важна при длительных сменах работы.

Повышение структурной функциональности ПДМС в строительных материалах

Методы армирования: наполнители на основе кремнезема, нанокристаллов целлюлозы и POSS для повышения прочности на растяжение и эластичности (ASTM D412)

Исходный материал PDMS слишком мягкий для строительных применений, поэтому требуются наиболее прочные модификации. Наночастицы диоксида кремния формируют плотные сетки сшивания в PDMS, что обеспечивает более равномерное распределение нагрузки. Это подтверждается испытаниями на растяжение композита PDMS/кремнезём по стандарту ASTM D412 (3), при которых прочность может превышать прочность немодифицированного PDMS в три раза. Другим компонентом являются нанокристаллы целлюлозы (CNC), которые усиливают функциональность наночастиц диоксида кремния. Дело в том, что CNC имеют вытянутую форму и содержат множество гидроксильных групп, благодаря чему обеспечивают высокую адгезию к основной матрице PDMS. Такая адгезия помогает сохранить эластичность PDMS и одновременно придаёт ему водоупорные свойства. Альтернативным решением является использование наполнителей на основе полиэдрических олигомерных силсесквиоксанов (POSS). Клеточные структуры этих наполнителей хорошо интегрируются в силоксановую сеть на наноуровне. При добавлении в количестве 10–15 % POSS повышают прочность на разрыв примерно на 40 %, сохраняя при этом эластичность материала после многократных циклов растяжения. При совместном использовании всех трёх компонентов достигается оптимальная прочность на растяжение — обычно свыше 5 МПа — и остаточное удлинение менее 15 % после многократных циклов растяжения и восстановления.

Это делает композит идеальным для герметизации швов в бетоне, гидроизоляционных покрытий, а также сейсмических демпферов, которые должны выдерживать воздействие погодных условий и физические изменения, включая перепады температур, ультрафиолетовое излучение и деформации.

Часто задаваемые вопросы

Что такое ПДМС и почему он используется в текстиле?

ПДМС (полидиметилсилоксан) — это силиконовый материал, отталкивающий воду и масла. Поскольку ПДМС эффективно адгезирует к волокнам ткани, он образует прочное защитное покрытие без применения химических обработок.

Как ПДМС сравнивается с фторсодержащими покрытиями?

ПДМС обеспечивает тот же уровень отталкивающих свойств, что и фторсодержащие покрытия, но не содержит опасных для здоровья и окружающей среды ПАС (пер- и полифторалкилсульфоновых соединений). Покрытия на основе ПДМС сохраняют свои отталкивающие свойства и эластичность, тогда как фторсодержащие покрытия теряют отталкивающие свойства и становятся хрупкими.

Безопасен ли ПДМС и экологичен ли он?

PDMS является экологически безопасным и дружелюбным к окружающей среде. PDMS сертифицирован по стандарту OEKO-TEX® Standard 100 и bluesign®. Поскольку PDMS не содержит вредных углеродно-фтористых связей, риски для здоровья и окружающей среды значительно снижены.

Выдерживают ли покрытия на основе PDMS промышленную стирку?

Покрытия на основе PDMS более эффективны, чем восковые и акриловые покрытия, и сохраняют 85 % своей водоотталкивающей способности после 20 циклов промышленной стирки.