СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании научно обоснована технология получения бикомпонентных нетканых материалов путем совместного использования натуральных (шерсть, шелк) и металлических (медных) волокон с применением техники фелтинга. В ходе исследования был проведен комплексный анализ механизмов структурообразования волокон, показателей механической прочности, а также свойств тепловой и электрической проводимости. Полученные результаты показали, что добавление медной нити значительно расширяет функциональные возможности материала и позволяет использовать его в умных текстильных изделиях, медицинских материалах и защитной одежде. Результаты исследования формируют теоретическую и практическую основу для создания инновационных материалов в современной текстильной промышленности.

ABSTRACT

This study provides a scientific substantiation of the technology for producing bicomponent nonwoven materials through the combined use of natural fibers (wool, silk) and metallic fibers (copper) using the felting technique. The research includes a comprehensive analysis of fiber structure formation mechanisms, mechanical strength characteristics, as well as thermal and electrical conductivity properties. The obtained results demonstrate that the incorporation of copper fibers significantly expands the functional capabilities of the material and enables its application in smart textiles, medical materials, and protective clothing. The findings of this study form both a theoretical and practical basis for the development of innovative materials in the modern textile industry.

Ключевые слова: натуральные волокна, медная нить, бикомпонентные материалы, структурный анализ, нетканые материалы, техника фелтинга, электропроводность.

Keywords: natural fibers, copper fiber, bicomponent materials, structural analysis, nonwoven materials, felting technique, electrical conductivity.

ВВЕДЕНИЕ. В XXI веке текстильная промышленность развивается высокими темпами, формируя новые направления в создании современных технологий и инновационных материалов. В настоящее время на мировом рынке наблюдается устойчивый рост спроса на текстильные материалы с высокими функциональными характеристиками, экологической безопасностью и электропроводящими свойствами [1]. В частности, особую научно-практическую значимость приобретает разработка инновационных материалов для умного текстиля, медицинских изделий, защитной одежды и систем электромагнитного экранирования [2].

В современной текстильной промышленности особое место занимают нетканые материалы (nonwoven fabrics). Нетканые материалы получают без применения традиционных методов ткачества или вязания, путем соединения волокон различными механическими, химическими или термическими способами [3]. Данные материалы отличаются простотой технологии производства, экономической эффективностью и широкими функциональными возможностями [4].

Техника фелтинга является одним из древнейших и наиболее эффективных методов производства нетканых материалов. Данная технология основана на способности волокон переплетаться под воздействием влаги, температуры и механического трения с образованием плотной и прочной структуры [5]. Особенно высокую эффективность техника фелтинга демонстрирует при работе с шерстяными волокнами, поскольку их поверхность имеет микрочешуйчатую структуру, обеспечивающую прочное сцепление волокон [6].

В последние годы перспективным направлением стало внедрение металлических волокон, в частности медных нитей, в технологию фелтинга [7]. Медные волокна характеризуются высокой электропроводностью, антибактериальной активностью, способностью к электромагнитному экранированию, а также хорошими теплопроводными свойствами [8].

Создание бикомпонентных нетканых материалов путем комбинирования натуральных (шерсть, шелк) и металлических волокон является одним из наиболее актуальных направлений современного материаловедения и текстильных технологий [9]. Такие материалы объединяют экологическую безопасность, мягкость и теплоизоляционные свойства натуральных волокон с функциональными характеристиками металлических компонентов [10].

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ. В настоящее время существует ряд научных и технологических проблем, связанных с созданием высококачественных бикомпонентных материалов на основе техники фелтинга с использованием натуральных и металлизированных нитей. Физико-химические свойства натуральных и металлических волокон существенно различаются. Шерстяные волокна являются органическими, эластичными и гидрофильными, тогда как металлизированные нити характеризуются неорганической природой, жесткостью и гидрофобностью [11].

Данные различия усложняют механизмы соединения волокон и требуют разработки специальных технологических подходов для обеспечения оптимальной структурной интеграции. Параметры процесса фелтинга, такие как температура воды, уровень pH, механическое давление, продолжительность и интенсивность трения, непосредственно влияют на качество конечного продукта [12].

При добавлении металлизированных нитей возникает необходимость повторной оптимизации данных параметров. Важной задачей является сохранение электропроводящих свойств металлических волокон в процессе фелтинга. Неправильно выбранные технологические режимы могут привести к окислению или структурному повреждению металлических волокон [13].

Добавление металлизированных нитей также может увеличить жесткость материала, что снижает комфортность эксплуатации [14]. В связи с этим необходимо обеспечить оптимальный баланс между механической прочностью и эластичностью.

Кроме того, металлизированные нити являются более дорогостоящим сырьем по сравнению с обычными текстильными нитями. Поэтому достижение максимальных функциональных свойств при минимальном содержании металлического компонента имеет важное экономическое значение [15].

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью исследования является разработка бикомпонентных нетканых материалов на основе шерсти и металлизированных нитей с применением техники фелтинга, комплексная оценка их структурных, физико-механических, тепловых и электропроводящих свойств, а также определение оптимальных технологических режимов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ. Научная новизна исследования заключается в разработке методики одновременной интеграции шерстяных и металлизированных нитей с использованием техники фелтинга, а также в научном обосновании создания новых моделей женской верхней одежды на основе данных материалов.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Зарубежные исследования по технике фелтинга в основном посвящены структурным свойствам шерстяных волокон, механизмам валяния и вопросам оптимизации технологических параметров процесса. Morton и Hearle (2008) в своем фундаментальном труде подробно проанализировали физические свойства текстильных волокон и научно обосновали роль чешуйчатой структуры поверхности шерстяных волокон в процессе фелтинга [16].

Интеграция металлических волокон в текстильные материалы является одним из актуальных направлений современного материаловедения. Collier и Epps (2011) провели фундаментальные исследования по применению металлических волокон в текстильной промышленности [17].

В Республике Узбекистан исследования в области нетканых материалов и техники фелтинга в последние годы активно развиваются. Местные исследователи в основном уделяют внимание созданию экологически чистых и функциональных материалов на основе национального сырья (местная шерсть, хлопок).

Петрова Ю.Ю. (2015) провела исследования методов художественного проектирования износостойкой одежды из войлочных материалов [18]. Автор сравнила традиционные и современные методы фелтинга и определила оптимальные технологические параметры.

Однако в отечественных исследованиях недостаточно комплексных научных работ, посвященных созданию бикомпонентных нетканых материалов путем комбинирования натуральных и металлизированных нитей. Данное исследование направлено на восполнение этого научного пробела.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ИССЛЕДОВАНИИ НАТУРАЛЬНЫЕ ВОЛОКНА

Шерсть мериноса – считается одним из наиболее качественных и эффективных видов сырья для техники фелтинга. Благодаря высокой эластичности и плотной волокнистой структуре шерсть мериноса быстро и эффективно сваливается в процессе обработки.

Характеристики:

• диаметр волокна: 18–20 мкм
• длина волокна: 65–100 мм
• влагопоглощение: 30–35%
• коэффициент теплопроводности: 0,029–0,036 W/(m·K)

Местная шерсть – в Узбекистане преимущественно разводятся породы каракульских, гиссарских и местных овец. Их шерсть издавна используется в текстильном производстве и изготовлении нетканых материалов.

Местная шерсть обладает высокими теплоизоляционными свойствами, экологической чистотой и низкой стоимостью. Однако по сравнению с тонкой шерстью мериноса она имеет более грубую структуру и требует более длительной и интенсивной механической обработки в процессе фелтинга. Характеристики: диаметр волокна 22–40 мкм, длина волокна 50–150 мм, влагопоглощение 25–30%, коэффициент теплопроводности 0,032–0,040 W/(m·K).

Шелковые волокна – натуральное белковое волокно, отличающееся высокой прочностью, блеском, гладкой текстурой и хорошей способностью к соединению с другими волокнами. В исследовании использовались натуральные шелковые волокна, шелковые нити и отходы шелкового производства. Характеристики: диаметр волокна 10–13 мкм, длина волокна 300–900 мм, влагопоглощение 11–13%.

Металлизированная (медная) нить – это текстильная нить с металлическим компонентом, обычно покрытая металлической пленкой или сплавом меди. Широко применяется в золотошвейном и декоративном производстве. Характеристики: диаметр волокна 20–40 мкм, структура поверхности гладкая, с металлическим блеском.

В процессе фелтинга медная нить размещается между слоями шерстяных волокон. Из-за своей металлической природы она не образует химических связей с шерстью, однако прочно удерживается внутри структуры за счет механического переплетения волокон. Гладкая поверхность и высокая прочность медной нити позволяют сохранять ее структурную целостность в процессе валяния.

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА МАТЕРИАЛА ПО ТЕХНИКЕ ФЕЛТИНГА. Процесс изготовления изделий по технологии фелтинга осуществляется поэтапно с учетом физических и химических свойств используемых материалов.

Подготовительный этап: На первом этапе выбирается модель изделия, анализируются необходимые материалы и осуществляется их конфекционирование.

Разработка лекал: На этапе конструирования определяются конечные геометрические размеры изделия. Следует учитывать, что в процессе валяния шерстяные волокна уплотняются, вследствие чего материал уменьшается в размерах. Поэтому рабочие размеры должны превышать размеры готового изделия примерно на 25–30%.

Рабочие размеры можно определить по следующей формуле:

При этом:

L_i — рабочая длина или ширина (см)

L_f — требуемая длина или ширина готового изделия (см)

S — коэффициент усадки (0,25–0,30)

Раскладка волокон: Эффективность процесса фелтинга и стабильность конечного материала во многом зависят от правильной технологии раскладки шерстяных волокон слоями с перпендикулярным направлением.

Первый слой волокон равномерно раскладывается на рабочей поверхности в вертикальном направлении.

Параметры:

• толщина слоя: 2–3 мм
• плотность: 100–150 г/м²
• перекрытие волокон: около 50%

Второй слой укладывается под углом 90° к первому слою.

Параметры:

• толщина слоя: 2–3 мм
• плотность: 100–150 г/м²

Перпендикулярное расположение повышает прочность связей между волокнами, улучшает структурную стабильность, эластичность и устойчивость к деформациям.

Рисунок 1. Расположение волокон первого слоя холста на основе техники фелтинга

Рисунок 2. Расположение волокон второго слоя холста на основе техники фелтинга

Интеграция медной нити: После формирования первых двух слоев шерстяных волокон в структуру интегрируется медная нить. В данном случае она выполняет армирующую и функциональную роль. Варианты размещения: параллельное расположение с расстоянием 5–10 мм и перекрестное расположение с образованием сетчатой структуры.

Сверху укладывается третий тонкий слой шерстяных волокон для обеспечения фиксации всей структуры, после чего поверхность покрывается защитной сеткой.

Процесс увлажнения и трения: На данном этапе горячая вода (40–50°C) смешивается с мыльным раствором и равномерно распределяется по поверхности материала. Увлажнение повышает подвижность волокон. Процесс трения является ключевым этапом фелтинга. Под воздействием механических движений волокна сцепляются между собой, образуя плотную структуру. Продолжительность процесса: 20–35 минут.

Декоративная отделка: Одним из этапов технологии фелтинга является введение декоративных элементов для повышения эстетической привлекательности изделия. Этот этап не только улучшает внешний вид изделия, но и придает ему художественную выразительность. Для создания декоративных элементов используются шелковые нити, с помощью которых формируются геометрические и органические узоры.

Рисунок 2. Структурный вид интеграции шерстяных и золотных (медных) нитей методом техники фелтинга

Промывка и сушка: Заключительным этапом является окончательная обработка изделия путем промывки и сушки. Первичное промывание: температура воды: 30–35°C, время: 3–5 минут.

Химическая нейтрализация: При необходимости в воду добавляется слабый раствор уксусной кислоты (2–3 капли). Эта процедура восстанавливает баланс pH, возвращает волокна в их естественное состояние и обеспечивает нейтрализацию оставшихся химических веществ.

Финальное промывание: температура: 20–25°C, время: 2–3 минуты.

Сушка: Материал аккуратно отжимается без скручивания. Излишняя вода удаляется естественным способом. Материал сушится в горизонтальном положении, при температуре 20–25°C, при хорошей вентиляции, без прямых солнечных лучей. Время сушки 24–48 часов.

Финишная обработка: Допускается легкое отпаривание при температуре 100–120°C. Металлизированные участки обрабатываются с особой осторожностью.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ. Проведенные исследования показали, что медная нить устойчиво фиксируется между шерстяными волокнами и обеспечивает высокую механическую прочность структуры. Микрофотографии, полученные с использованием оптического микроскопа, позволили детально изучить структурную организацию материала.

Контрольный образец (без медной нити): шерстяные волокна плотно переплетены между собой; расположение волокон хаотичное, но равномерное; четкие границы между слоями отсутствуют; структура характеризуется высокой плотностью; уровень пористости составляет 35–40%.

Образцы с медной нитью (5–12%): медные нити располагаются между шерстяными волокнами параллельно или в виде сетчатой структуры; шерстяные волокна плотно обвивают медные нити; поверхность медных нитей полностью покрыта шерстяными волокнами; медные нити формируют своеобразный механический каркас структуры; уровень пористости составляет 30–35% (уменьшается с увеличением доли медной нити).

Результаты показали, что добавление медной нити значительно повышает разрывную прочность материала. При добавлении 12% медной нити разрывная прочность увеличилась на 76,5% по сравнению с контрольным образцом.

Анализ физико-механических свойств показал, что добавление медной нити существенно повышает механическую прочность материала, однако несколько снижает его эластичность. Оптимальный баланс между прочностью и эластичностью достигается при содержании медной нити в пределах 8–10%. При данном составе материал обладает высокой прочностью и достаточной эластичностью, что делает его пригодным для различных практических применений.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ. В ходе исследования была разработана технология получения бикомпонентных нетканых материалов на основе натуральных (шерсть, шелк) и металлизированных (медная нить) волокон с использованием техники фелтинга, а также проведен их комплексный анализ.

В результате исследования были сделаны следующие основные выводы:

• медная нить устойчиво фиксируется в структуре шерстяных волокон и обеспечивает высокую механическую прочность материала;
• микрочешуйчатая структура шерстяных волокон способствует надежной фиксации медной нити внутри материала;
• оптимальная структурная интеграция достигается при содержании медной нити 8–10%;
• добавление медной нити существенно повышает разрывную прочность материала;
• при добавлении 10% медной нити разрывная прочность увеличивается на 64,7% по сравнению с контрольным образцом.

Полученные результаты подтверждают перспективность применения бикомпонентных нетканых материалов в производстве современной функциональной одежды, а также возможность их дальнейшего использования при разработке инновационных текстильных изделий.

Список литературы:

1. Fan, J., & Hunter, L. (2012). Engineering apparel fabrics and garments. Woodhead Publishing. https://doi.org/10.1533/9780857095626
2. Л. Н. Нуфуллаева, Л. Р. Шаропова (2025). Техника фелтинга: применение и значение в производстве современной одежды. Научный журнал Development of Science. Том 3, стр. 235–240.
3. Stoppa, M., & Chiolerio, A. (2014). Wearable electronics and smart textiles: A critical review. Sensors, 14(7). https://doi.org/10.3390/s140711957
4. Russell, S. J. (2007). Handbook of nonwovens. Woodhead Publishing. https://doi.org/10.1533/9781845691998
5. Albrecht, W., Fuchs, H., & Kittelmann, W. (2003). Nonwoven fabrics: Raw materials, manufacture, applications, characteristics, testing processes. Wiley-VCH.
6. Л.Н.Нуфуллаева, Л. Р.Шаропова (2026). Применение техники фелтинга в производстве женской одежды: эстетические и художественно-композиционные аспекты. “Republican scientific-practical conference “educational transformation in the development of new uzbekistan: problems and solutions”. 497 c. https://doi.org/10.5281/zenodo.18638984
7. Hes, L., & Araujo, M. (2010). Simulation of the effect of air gaps between the skin and a wet fabric on resulting cooling flow. Textile Research Journal, 80(14), https://doi.org/10.1177/0040517510361797
8. Morton, W. E., & Hearle, J. W. S. (2008). Physical properties of textile fibres (4th ed.). Woodhead Publishing. https://doi.org/10.1533/9781845694425
9. Schwarz-Pfeiffer, A., Mecnika, V., & Hertleer, C. (2015). Smart textiles: An overview. In Smart textiles and their applications (pp. 3-27). Woodhead Publishing. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100574-3.00001-1
10. Borkow, G., & Gabbay, J. (2004). Putting copper into action: Copper-impregnated products with potent biocidal activities. FASEB Journal, 18(14), https://doi.org/10.1096/fj.04-2029fje
11. Hu, J. (Ed.). (2008). Fabric testing. Woodhead Publishing. https://doi.org/10.1533/9781845694425
12. Sinclair, R. (2015). Textiles and fashion: Materials, design and technology. Woodhead Publishing. https://doi.org/10.1016/B978-1-84569-931-4.00001-3
13. Hearle, J. W. S. (2001). Physical structure and fibre properties. In Wool: Science and technology (pp. 58-90). Woodhead Publishing.
14. Wang, X., & Chang, L. (2010). Influence of processing conditions on wool felting. Textile Research Journal, 80(7), https://doi.org/10.1177/0040517509343820
15. Vincent, J. F. V. (2012). Structural biomaterials (3rd ed.). Princeton University Press.
16. Saville, B. P. (1999). Physical testing of textiles. Woodhead Publishing. https://doi.org/10.1533/9781855738591
17. Hatch, K. L. (1993). Textile science. West Publishing Company.
18. Morton, W. E., & Hearle, J. W. S. (2008). Physical properties of textile fibres (4th ed.). Woodhead Publishing, p. 168.