ВЛАГОПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ И ВКЛАДНАЯ СТЕЛЬКА ДЛЯ ОБУВИ, СОДЕРЖАЩАЯ ЭТОТ МАТЕРИАЛ Российский патент 1995 года по МПК A43B17/10 

Изобретение касается сорбционных материалов, а конкретнее, изобретение относится к влагопоглощающим материалам и вкладным стелькам для обуви, содержащим этот материал.

Изобретение найдет применение в обувной промышленности.

Известен сорбционный материал поглотитель влаги, представляющий собой гранулы, сформированные из пластичной гомонезированной пасты, включающей, мас. активный оксид алюминия в виде частиц размером менее 40 мкм 55-30; глина 3-22; активированный уголь 4-10; бромистый литий 36-45.

Известный материал предназначен, в основном, для осушения потоков воздуха и других газов и преимущественно используется в фильтрующих средствах индивидуальной защиты органов дыхания от монооксида углерода.

Этот материал непригоден для непосредственного контактирования с кожным покровом человека, так как содержит токсичный бромистый литий, кроме этого, этим материалом обеспечивается влагопоглощение со скоростью не более 20 г/час/1 л этого материала, а влагоемкость такого материала при температуре 27-33^оС и влажности 80% не превышает 0,2 г/мл материала.

Известен влагопоглощающий материал, содержащий активированный уголь в виде гранул размером 1,0-2,75 мм, пропитанных смесью хлористого лития и хлористого кальция. Содержание названных компонентов в материале следующее, мас. активированный уголь 68-72; хлористый кальций 18-20; хлористый литий 10-12 [1]
Указанный влагопоглощающий материал успешно используется в средствах индивидуальной защиты органов дыхания от моноокисда углерода.

Однако большое количество гигроскопической добавки (LiCl и CaCl) в составе этого материала создает предпосылки к вытеканию раствора солей из пор носителя активированного угля в условиях: повышенной относительной влажности и разрушению материала. Кроме того, низкая механическая прочность активированного угля обуславливает разрушение этого материала при нагрузках. Помимо сказанного следует помнить, что хлористый литий является токсичным веществом, а его содержание в известном материале довольно значительно 10-12 мас.

Известно использование таких влагопоглощающих материалов как необработанный хлопок, активированный уголь, соли металлов при изготовлении вкладных стелек для обуви, предназначенных оптимизировать показатели комфортности обуви в течение всего периода эксплуатации обуви.

Например, известна вкладная стелька для обуви, включающая верхний слой из гидрофильного материала, например, ткани; средний слой, выполненный из гидрофобного эластичного материала, на верхней поверхности которого образованы гнезда для размещения в них вкладышей из влагопоглощающего материала (при этом каждый вкладыш помещен в оболочку из гидрофобного материала, имеющую перфорацию на своей верхней поверхности). Каждый вкладыш установлен в гнездах среднего слоя стельки с зазором, а высота вкладыша несколько превышает глубину гнезда. Вкладная стелька для обуви содержит третий нижний слой, выполненный из металлизированной пленки [2]
Такая вкладная стелька в какой-то мере решает проблему влагообмена в обуви, но не позволяет иметь оптимальную от 1 до 5 г/час/на 1 стельку скорость влагопоглощения, так как не обеспечивает взаимодействия каждого участка поверхности стопы с влагопоглощающим материалом; далее, используемый влагопоглощающий материал способен адсорбировать только парообразную влагу и только в движении, так как помещен в гидрофобную оболочку. Кроме того, конструкция указанной стельки не обеспечивает распределение поглощенной влаги в те участки стельки, где насыщение влагой невелико, например, от места соприкосновения с пальцами стопы к месту соприкосновения с пятой стопы. Помимо сказанного, регистрация использованной насыщенной влагой стельки сложна как из-за наличия металлизированного нижнего слоя, так из-за того, что поглощающий влагу материал заключен в гидрофобную оболочку, препятствующую осушению этого материала.

Известны вкладные стельки для обуви, в которых проблема оптимизации теплового режима стопы решалась за счет вентиляции. Такие вкладные стельки содержат воздухонепроницаемую оболочку, специальные упругие элементы с каналами для прохода воздуха и отверстиями в оболочке, создающими при ходьбе поршневой эффект прокачки воздуха. Однако в стельках такого типа отсутствует система влагопоглощения. Кроме того, эффект вентиляции обеспечивается только в движении и только для охлаждения стопы. Эксплуатация обуви с такими стельками в холодное время года недопустима, так как вентиляция обуви при влагонакоплении приводит к переохлаждению стопы.

Известны также вкладные стельки для обуви, обеспечивающие обогрев стопы в обуви за счет электроподогрева или аккумулированного тепла. Однако, вкладные стельки с электроподогревом сложны в производстве и дороги в эксплуатации, а стельки, содержащие расплавленный парафин, глицерин, силиконовую жидкость, обеспечивают поддержание тепла в обуви лишь ограниченное время. Все названные вкладные стельки не обеспечивают устранение влаги в обуви.

В основу изобретения положена задача путем обеспечения возможности сочетания процесса адсорбции влаги поверхностью механически прочного пористого носителя с процессом поглощения влаги находящимся в порах носителя раствором соли создать прочный материал с высокой влагопоглощающей способностью, использование которого во вкладных стельках для обуви обеспечило бы влажность и температуру в обуви в процессе ее эксплуатации на требуемом уровне комфортности.

Это решается тем, что во влагопоглощающем материале, содержащем гранулированный высокопористый носитель с расположенным в его порах хлоридом кальция, согласно изобретению, гранулированный высокопористый носитель выполнен в виде оксида алюминия, при этом хлорид кальция содержится в количестве от 8 до 12 мас.

Благодаря изобретению получен влагопоглощающий материал, механическая прочность которого на истирание составляет 0,3% в 1 мин, обеспечивающий влагопоглощение со скоростью от 30 до 200 г/час/1 литр материала.

Для достижения наибольшего значения влагопоглощения целесообразно, согласно изобретению, чтобы гранулы оксида алюминия имели форму сфер с диаметром 0,4-2,0 мм.

Согласно изобретению целесообразно, чтобы материал содержал вещество для поглощения запахов, преимущественно активированный уголь.

Вариант выполнения изобретения состоит в том, что во вкладной стельке для обуви, содержащей три скрепленные между собой слоя, верхний из которых выполнен из гидрофильного паропроницаемого материала, а в среднем слое выполнены полости, заполненные влагопоглощающим материалом, согласно изобретению, влагопоглощающий материал изготовлен из вещества, имеющего гранулированный пористый оксид алюминия с расположенным в его порах хлоридом кальция в количестве от 8 до 12 мас. при этом поверхности влагопоглощающего материала установлены с возможностью непосредственного контакта, соответственно, с верхним и нижним слоями, последний из которых изготовлен из гидрофильного материала, а полости среднего слоя выполнены сквозными и сообщающимися между собой.

Благодаря изобретению вкладная стелька для обуви обеспечивает поддержание влажности в обуви (в процессе ее эксплуатации) на уровне комфортности, равном 40-80 мас. и способствует равномерному выделению тепла, передаваемого к стопе в процессе насыщения влагопоглощающего материала, кроме того, вкладная стелька подлежит регенерации после полного ее влагонасыщения в процессе эксплуатации.

Вариант выполнения вкладной стельки состоит в том, что ее средний слой выполнен в виде полотна из объемного нетканого материала со сквозными сообщающимися между собой межволоконными полосками, которые заполнены влагопоглощающим материалом, что позволяет при скреплении слоев стельки между собой равномерно распределять влагопоглощающий материал по всей площади стельки.

Целесообразно, согласно изобретению, чтобы полотно из объемного нетканого материала было выполнено из синтепона.

Для упрощения технологии изготовления стельки в промышленном объеме целесообразно, чтобы, согласно изобретению, средний слой вкладной стельки для обуви был выполнен в виде контурного полого замкнутого элемента, повторяющего форму стельки, внутри которого размещены перфориpованные ребра жесткости с образованием между ними сквозных полостей для расположения в последних влагопоглощающего материала, при этом, преимущественно, ребра жесткости расположены параллельно друг другу.

Влагопоглощающий материал, согласно изобретению, содержит в качестве носителя гранулированный высокопористый активный оксид алюминия, имеющий в основном вид сфер диаметром 0,4-2,0 мм. Насыпная плотность гранулированного оксида алюминия составляет 0,6-0,15 г/см³, удельная поверхность составляет более 200 м²/г, общий объем пор составляет 0,65 см³/г, при этом механическая прочность на истирание 0,3% в 1 мин. Вторым компонентом предлагаемого материала является хлорид кальция, введенный в поры названного носителя методом пропитки. Содержание хлорида кальция в материале составляет от 8 до 12 мас.

При создании материала учитывался обратимый процесс поглощения влаги хлоридом кальция и традиционный процесс адсорбции (десорбции) влаги активным оксидом алюминия.

Материал именно предлагаемого состава способен при температуре 27-33^оС и влажности 80% поглощать до 0,45 мл влаги на 1 г вещества, не изменяя при этом своего физического состояния, т.е. без вытекания раствора хлорида кальция из пор носителя.

Достигнутый эффект возможен благодаря тому, что при заполнении всех пор носителя влагой скорость процесса поглощения влаги резко падает, так как, с одной стороны, в этот момент прекращается адсорбирование влаги поверхностью носителя, а, с другой стороны, резко падает поверхность раствора хлорида кальция, поглощающего влагу. Происходит как бы самовыключение материала в отношении процесса влагопоглощения. Момент самовыключения также связан с относительной влажностью окружающей среды и количеством хлорида кальция в порах носителя.

Материал создавался с учетом его использования в конкретных по температуре и влажности условиях, а именно в замкнутом объеме обуви.

Установлено, что при содержании хлорида кальция менее 8 мас. не обеспечивается желаемая скорость поглощения влаги; при содержании хлорида кальция более 12 мас. возможно отделение этой соли от носителя.

При поглощении влаги выделяется тепло конденсации воды и тепло адсорбции. В сумме тепловыделения составляют примерно 1,0-1,5 Вт на 1 г/ч поглощаемой влаги.

Так как связь воды с хлоридом кальция несравненно более слабая, чем адсорбированной воды, то регенерация насыщенного материала происходит в мягких температурных условиях.

Материал, согласно изобретению, может дополнительно содержать вещество, способное поглощать запахи, например, активированный уголь.

Влагопоглощаемый материал наиболее целесообразно использовать в замкнутом объеме обуви для поглощения с заданной скоростью находящейся в парообразном и капельном состоянии эндогенной влаги стопы, что обеспечивает стопе требуемый уровень комфортности без пересушивания и переувлажнения.

Известно, что все физиологические функции в организме человека взаимосвязаны. Являясь гомоизотермической системой, организм стремится поддерживать температуру тела человека на постоянном уровне 37±0,8^оС. При этом температура стопы должна быть 27-33^оС при относительной влажности в обуви 40-80% Эти данные принимают за основные критерии комфортности стопы в обуви. Выход указанных параметров за пределы указанных границ вызывает дискомфорт.

Главной проблемой, осложняющей оптимизацию теплового режима стопы, является влаговыделение, которое составляет в среднем от 1 г/ч в покое до 15 г/ч при интенсивной мышечной нагрузке. В замкнутом объеме обуви устанавливается высокая равновесная влажность (обычно около 100%).

Исходя из понятия комфортности, которая должна поддерживаться в течение всего периода эксплуатации обуви, баланс процессов влаговыделения стопы влагопоглощения обувью может быть представлен в виде:
М М_з + М_ст + М_к, где М количество влаги (пота), выделяемое стопой;
М_ст, М_з количество влаги, адсорбируемое стелькой и обувью;
М_к количество влаги, удаляемое через зазоры обуви.

Известно, что внутри обуви распределение потовыделений стопы примерно следующее:
65-70% адсорбция влаги слоями заготовки обуви;
15-20% удаление влаги через зазоры обуви;
15-25% поглощение влаги стелькой.

При эксплуатации обуви в системе "стопа-обувь-окружающая среда" наблюдается как перенос влаги, так и перенос тепла. Накопление влаги в обувных материалах в процессе эксплуатации заметно изменяет границы ее комфортности. Так, если известные наборы обувных материалов, взятые в сочетании (трикотаж + подкладка + межподкладка + верх обуви) с влагосодержанием 40% обеспечивают комфортность стопе (27^оС) при температуре окружающей среды от -9 до +20^оС, то эти материалы в сухом состоянии обеспечат комфорт стопе при температурах окружающей среды от -20 до +14^оС). При более низких температурах стопа будет ощущать холод, при более высоких тепло.

Таким образом, если через систему обувных материалов не удаляются излишки пота и влаги, то при понижении температуры среды происходит конденсация влаги, при этом значительно возрастает теплопроводность подошвы и других элементов обуви и, вследствие этого, теплоотвод от ноги, ее переохлаждение. Теплопроводность известных обувных материалов при максимальном влагосодержании возрастает в 5-7 раз, стремясь к теплопроводности воды, равной 0,55 Вт/м˙К.

Установлено, что повышение влажности во внутриобувном пространстве ведет к увеличению объема стопы и, следовательно, усилению сжатия стопы обувью, что способствует развитию патологических изменений стоп.

Кроме того, нарушение комфортности обуви, проявляющиеся в изменении влаготемпературного баланса стопы и внутриобувного пространства приводят к опрелости кожного покрова и серьезным патологическим изменениям в физиологии организма.

Известно также, что на коже стопы имеются различные микробы, дрожжи и грибки. Уровень температуры и высокая влажность внутри обуви вместе с солями и жирами потоотделений является идеальными условиями для развития микозов грибковых заболеваний, которыми страдают около 50% населения.

Таким образом, создание оптимальных условий для ног одновременно по теплу и влаге это решение проблемы комфортности самочуствия человека, стойкости его к простудным заболеваниям, усиление его работоспособности, невосприимчивости к грибковым заболеваниям.

Учитывая это в соответствии с предлагаемым изобретением, создана вкладная стелька для обуви, содержащая три скрепленных между собой слоя, верхний и нижний из которых выполнены из гидрофильного, паропроницаемого материала, преимущественно из волокон природного происхождения, например, хлопчатобумажной ткани. Толщина как верхнего, так и нижнего слоя стельки составляет не более 0,5 мм. Верхний слой стельки имеет тонкую мягкую поверхность с заранее заданным коэффициентом паропроницаемости и влагоемкости и предназначен для создания комфортной поверхности подошве стопы. Слой обеспечивает проникновение паров воды к среднему слою, содержащему предлагаемый влагопоглощающий материал, и высокую тепловую проводимость от среднего слоя к стопе. Нижний слой изготовлен из грубой ткани, обеспечивающей коэффициент паропроницаемости не менее 20 мг/см².ч при разности давления паров 2300 Па.

Средний слой стельки имеет толщину 4,0 мм и выполнен либо из объемного длинноволоконного нетканого материала, такого как синтепон, либо из специально формованной заготовки из эластичного материала, представляющей собой контурный замкнутый объем кольцеобразный элемент, повторяющий форму стельки, внутри которого расположены, преимущественно, параллельные перфорированные ребра жесткости. Средний слой вкладной стельки для обуви вне зависимости от использованного материала и его структуры, согласно изобретению, содержит сообщающиеся между собой сквозные полости. При изготовлени среднего слоя из синтепона названными полостями являются пространства, не занятые волокнами. При использовании формованной заготовки названными полостями являются пространства между ребрами жесткости. Согласно изобретению указанные полости среднего слоя стельки заполнены описанным выше влагопоглощающим материалом в количестве не более 50 мл. Количество влагопоглощающего материала зависит от типа стельки, размера обуви, требуемой величины скорости и объема влагопоглощения. Гранулы материала контактируют между собой и со всей поверхностью верхнего слоя стельки, равномерно обеспечивая вертикальный и продольно-поперечный перенос газообразной и капельной влаги стопы. Это принципиально важное свойство, так как потовыделение стопой осуществляется, в основном, в области пальцев.

Равномерное распределение влаги по объему стельки обеспечивает и равномерное выделение тепла по всей поверхности стельки, соприкасающейся со стопой.

Скрепление всех трех названных слоев осуществлено, например, с помощью их прошивки нитями на швейной машине.

Таким образом, стелька содержит сообщающиеся между собой полости, заполненные пористым гранулированным материалом, обладающим большой влагоемкостью и заданной скоростью влагопоглощения парообразной и капельной влаги, выделяемой стопой ноги; гранулы материала содержат в порах и на своей поверхности вещества, устраняющие запах пота, например, активированный уголь; кроме этого, стелька имеет гидрофильный и паропроницаемый верхний и нижний слои, обеспечивающие процесс восстановления и влагопоглощающих свойств предлагаемого материала в мягких температурных условиях (40-60^оС).

Благодаря сказанному достигнуто улучшение эксплуатационных свойств зимней обуви, ее комфортности, выражающееся конкретно в существенном снижении уровня влажности в обуви, что обусловлено присутствием предлагаемого материала, сохранении теплоизоляционных свойств обуви, что снижает вероятность простудных и грибковых заболеваний.

Кроме того, достигнута возможность достаточно быстрой сушки обуви и увеличение ее долговечности.

П р и м е р 1. Влагопоглощающий материал в виде порошка с размером частиц не более 2,0 мм представляет собой пропитанный хлоридом кальция гранулированный активный оксид алюминия с удельной поверхностью более 200 м²/г, общим объемам пор 0,65 см³/г.

При температуре 30^оС и влажности 80% 50 мл этого материала, содержащего 4 г хлорида кальция, поглощает от 20 до 23 г влаги. Вытекание хлорида кальция из пор носителя не наблюдают.

Механическая прочность материала на истирание составляет 0,3%/мин.

П р и м е р 2. Влагопоглощающий материал имеет вид порошка с размером частиц 0,5 мм. Этот материал представляет собой пропитанный хлоридом кальция гранулированный активный оксид алюминия, содержащий в порах микрочастицы активированного угля.

50 мг этого материала, содержащего 5 г хлорида кальция и 0,25 г активированного угля, при температуре 30^оС и влажности 80 мас. поглощают от 20,5 до 23,5 г влаги. Вытекание хлорида кальция из пор носителя не наблюдают.

Механическая прочность материала на истирание составляет 0,3/мин.

П р и м е р 3. Влагопоглощающий материал имеет вид порошка с размером частиц от 0,4 до 2,0 мм. Этот материал представляет собой пропитанный хлоридом кальция гранулированный активный оксид алюминия, аналогичный указанному в примере 1, смешанный с гранулами размером 0,4-2,0 мм активированного угля.

50 мл этого материала, содержащего 6 г хлорида кальция и 0,5 г активированного угля, при температуре 30^оС и влажности 80% поглощают от 21 до 24 г влаги.

Вытекание хлорида кальция из пор носителя не наблюдают.

Механическая прочность материала на истирание составляет 0,3%/мин.

П р и м е р 4. Вкладная стелька для обуви содержит верхний слой, выполненный из хлопчатобумажной ткани типа бязи; нижний слой, выполненный из хлопчатобумажной ткани типа суровья; средний слой вкладной стельки выполнен из рыхлого нетканого материала, выполненного из синтетических волокон, типа синтепона, содержащего в полостях между волокнами 30 мл гранул влагопоглощающего материала, аналогичного указанному в примере 1.

Общая толщина стельки 4 мм, вес 45 г.

В течение 8 ч стелька эксплуатировалась в мужской зимней обуви при температуре среды 20-23^оС. Стельку взвешивали каждый час, фиксировали ее температуру. Количество влаги, поглощенное стелькой, составляет 9-10 г. Повышение температуры составляет 1-2^оС. Регенерация стельки осуществляется полностью при температуре 40-60^оС в течение 8 ч.

П р и м е р 5. Вкладная стелька для обуви содержит верхний и нижний слои, аналогичные указанным в примере 4. Средний слой вкладной стельки выполнен путем отливки из вспененного эластичного материала формы, содержащей ленточный контур стельки с внутренними полостями, организованными параллельными пеpфорированными ребрами, которые связаны с этим контуром.

После клеевого скрепления отлитой формы с нижним слоем стельки полости между внутренними перегородками формы были заполнены 30 мл влагопоглощающего материала, аналогичного указанному в примере 2, после чего был наложен верхний слой и скрепление всех трех слоев было осуществлено путем прошивки на швейной машине тяжелого класса. Толщина стельки 5 мм, вес 51 г. В течение 8 ч изготовленная стелька эксплуатировалась в мужской зимней обуви при температуре среды 20-23^оС. Стелька взвешивалась каждый час, фиксировалась ее температура. Количество влаги, поглощенное стелькой, составляет 11-12 г. Отмечают повышение температуры на 1-2^оС. Регенерация стельки осуществляется полностью при температуре 40-60^оС в течение 8 ч.

П р и м е р 6. Вкладная стелька для обуви имеет строение, аналогичное указанному в примере 4, однако средний ее слой содержит влагопоглощающий материал, аналогичный указанному в примере 3. Стелька ежедневно в течение 8 ч на протяжении 30 дней находилась в зимней обуви при температуре среды 20-23^оС и в течение 2 ч при температуре (-15) (-20^оС). Регенерация стельки осуществлялась при температуре 40-60^оС. Стелька ежедневно взвешивалась в начале и конце эксплуатации. Количество поглощенной стелькой влаги и количество выделяемого стелькой тепла не изменялись в течение всего периода эксплуатации.

П р и м е р 7. Вкладная стелька для обуви имеет строение, аналогичное указанному в примере 5, однако, средний ее слой содержит влагопоглощающий материал, аналогичный указанному в примере 3. Стелька ежедневно в течение 8 ч находилась в зимней обуви при температуре среды 20-23^оС и в течение 2 ч при температуре (-15) (-20^оС). Регенерация стельки осуществлялась при температуре 40-60^оС в течение 10 ч. Стельки ежедневно взвешивались в начале и конце эксплуатации.

Таким образом, процесс длительной эксплуатации показал, что стелька активно поглощает влагу стопы, обеспечивая стопе комфортные условия по влажности и температуре и низкую влажность обуви в целом. При этом сохраняются основные теплоизоляционные свойства обуви. Стелька сохраняет способность восстанавливать свои свойства при большом числе циклов "эксплуатация-регенерация".

Использование: сорбционные материалы. Сущность изобретения: влагопоглощающий материал содержит гранулированный высокопористый активный оксид алюминия с введенным в его поры 8 12 мас. хлорида кальция. Вкладная стелька для обуви содержит скрепленные между собой верхний и нижний слои, выполненные из гидрофильного материала, а находящийся между ними средний слой имеет сквозные сообщающиеся между собой полости. В полостях среднего слоя содержится названный влагопоглощающий материал, расположенный в них так, что он находится в непосредственном контакте как с верхним, так и с нижним слоями. Влагопоглощающий материал, расположенный в полостях среднего слоя, имеет гранулированный оксид алюминия с расположенным в его порах хлоридом кальция в количестве от 8 до 12 мас. 2 с. и 6 з. п. ф-лы.

1. Влагопоглощающий материал, содержащий гранулированный высокопористый наполнитель с расположенным в его порах хлоридом кальция, отличающийся тем, что гранулированный высокопористый носитель выполнен в виде активного оксида алюминия, при этом хлорид кальция содержится в количестве от 8 до 12 мас. 2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что гранулы оксида алюминия имеют форму сфер с диаметром 0,4 2,0 мм. 3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он содержит вещество для поглощения запахов. 4. Материал по п. 3, отличающийся тем, что вещество для поглощения запахов содержит активированный уголь. 5. Вкладная стелька для обуви, содержащая три скрепленные между собой слоя, верхний из которых выполнен из гидрофильного материала, а в среднем слое выполнены полости, заполненные влагопоглощающим материалом, отличающаяся тем, что влагопоглощающий материал изготовлен из вещества, имеющего гранулированный оксид алюминия с расположенным в его порах хлоридом кальция в количестве от 8 до 12 мас. при этом поверхности влагопоглощающего материала установлены с возможностью непосредственного контакта соответственно с верхним и нижним слоями, последний из которых изготовлен из гидрофильного материала, а полости среднего слоя выполнены сквозными и сообщающимися между собой. 6. Стелька по п. 5, отличающаяся тем, что ее средний слой выполнен в виде полотна из объемного нетканого материала со сквозными сообщающимися между собой межволоконными полостями, которые заполнены влагопоглощающим материалом. 7. Стелька по п. 6, отличающаяся тем, что полотно из объемного нетканого материала выполнено в виде синтепона. 8. Стелька по п. 5, отличающаяся тем, что ее средний слой выполнен в виде контурного полого замкнутого элемента, повторяющего форму стельки, внутри которого размещены перфорированные ребра жесткости с образованием между ними сквозных полостей для расположения в последних влагопоглощающего материала.