Еженедельник "Снабженец"
http://www.snab.ru

Полная версия этой статьи в формате PDF:
СКАЧАТЬ

Функционально активный текстиль и его применение В настоящее время среди технических текстильных материалов вы­делился особый весьма перспективный вид, создание которого связано с развитием нано- и биотехнологий, использованием последних достижений физики и химии. Речь идет о функционально активном текстиле, каждый конкретный вариант которого разработан в соответствии с определенным назначением. Именно последнее и определяет те модифицирующие компоненты, которые будут использоваться для придания текстилю тех или иных свойств. Особенно актуально создание новых материалов в нынешних кризисных условиях, когда падение объемов текстильного производства в среднем на 25% настойчиво подталкивает производителей к кардинальному пересмотру ассортимент­ного ряда изделий, завоеванию новых сегментов рынка за счет расширения специальных предложений, вос­тре­бованных потребителем. Ка­ко­вы же основные функции, которые несет в себе современный текстиль спецназначения? Ответ на этот вопрос можно было получить, посетив специализированное мероприятие, проводившееся в рамках 32-й Федеральной оптовой ярмарки «Текстильлегпром» на ВВЦ. Один из ее круглых столов так и назывался «Функционально активный текстиль, полученный с использованием нано- и биотехнологических подходов, физических полей и новых сред». Модифицирование волокон: крейзинг полимеров Одна из важнейших сегодня функ­ций текстиля — защитная. В настоящее время на рынке появилось много самых разнообразных текстильных изделий, реагирующих на изменения окружающей среды и сводящих к минимуму ее вредные воздействия. Среди наиболее известных следует отметить антимикробные изделия. При изготовлении подобных тканей одним из наиболее простых способов производства является ис­пользова­ние модифицированных поли­­эфир­ных волокон толщиной 18?мкм — самых массовых среди текстильных волокон. Их модифицирование мож­но осуществлять методом крейзинга, включающим образование крейзов. Подобные работы ведутся, в частнос­ти, в Центральном научно-исследовательском институте комплексной автоматизации легкой промышленности (ОАО «ЦНИИЛКА», г. Москва). В процессе ориентационного вытягивания волокон при комнатной температуре (холодная вытяжка) образуются крейзы — микро- и нанопоры. Если это вытягивание происходит в жидкой адсорбционно-активной среде, крейзы постоянно заполняются ею. В результате обеспечивается равномерное введение в полимерную матрицу изначально не совместимых с ней модифицирующих компонентов — красителей, антипиренов, антиоксидантов. При этом последние не проникают вглубь, а распространяются на небольшом расстоянии от поверхности. Захват компонентов обуслав­лива­ется тем, что в процессе вы­тягивания размер пор становится соизмеримым с размером их мо­лекул. Затем происходит схлопыва­ние структуры, т. е. поры закрыва­ются. Крейзеобразование обеспечи­ва­ет достаточно устойчивое удер­жание модифицирующего вещества в структуре волокна. Одновременно оно способствует экономии его количества в сравнении с процессом мокрой обработки при большей эффективности. Важным достоин­ством предлагаемого метода являет­ся его непрерывность и высо- ­кая производительность — более 200?м/мин. Подобный способ модифициро­ва­ния имеет и еще один плюс — небольшие расходы при поточном промышленном производстве. Обыч­ное технологическое оборудование при больших скоростях дополнительно оснащается лишь одной небольшой установкой. При этом благодаря закрытости цикла не образуются стоки, а следовательно, повышается экологическая безопасность производства. Наоборот, мокрая обработка требует большого количества воды и электроэнергии, дополнительного обо­рудования и рабочей силы, расходов на нагрев. В предлагаемом же цикле все это исключается и происходит просто в процессе выпуска самих волокон при комнатной температуре с не­большими затратами электроэнергии. Более того, как уже указывалось, можно игнорировать изначальные условия совместимости. Разработка технологии началась в ОАО «ЦНИИЛКА» в 2002 г., а в 2004 г. были получены первые образцы изделий. В настоящее время работа проходит в рамках российско-белорусской программы совместно с Институтом механики металлополимерных систем им. В. А. Белого Национальной академии наук Бе­ларуси (ИММС НАНБ, г. Гомель). Ученые готовы производить любые виды волокон, вводить любые модификаторы. Уже получены специальные экспериментальные волокна пониженной горючести (кислородный индекс* — 28–32%) для спецодежды, антимикробные и одорирован­ные (с?запахом) волокна. Последние имеют терапевтический или репеллентный эффект, т. е. отпугивают летающих и ползающих насекомых-паразитов. Выпускаются также бактерицидные и бактериостатические волокна. При этом бактерицидный эффект устойчив к мокрой обработке — при введении серебра это свойство не меняется после 60 и более стирок. Подобный показатель существенно превосходит величины, присущие аналогам. Так, зарубежные исследователи утверждают, что можно говорить об устойчивости бактерицидного эффекта, если он сохраняется после 20 стирок. Перечисленные свойства ставят подобные материалы в ряд уникальных. Другими словами, нужно переходить от экспериментальных опытных партий к промышленному масштабу. Однако тут возникает проблема. Для промышленного освоения химики должны выпустить многотоннажные партии продукции. Это весьма большие объемы, минимум 1000 т/год. В?Могилеве есть экспериментальная установка, которая позволяет производить волокна в таком объеме. Вопрос лишь, как их использовать. Для его решения под каждое конкретное применение нужно разработать свой ассортимент волокон, а это требует творческого подхода. Сего­дня же разработка текстильного ассор­тимента с нужными волокнами как-то выпала из внимания общества. Как утверждают ученые ЦНИИЛКА, в СССР когда-то издавался соответствующий приказ ЦК КПСС и Совета министров, регламентирующий ас­сор­тимент, направление поставок, производителей и переработчиков волокон и т. п. Другие страны поступают по-своему. Так, Китай, прежде всего, одел всю свою многомиллионную армию. Здесь существует целая программа по созданию антимикробных изделий. Каждый солдат китайской народной армии имеет антимикробное белье, носки, полотенце. По­добные материалы используются и при пошиве изделий для представителей силовых структур и других слоев населения. В Беларуси издано постановление правительства, согласно которому при взятии у государства денег под разработку какого-то ассортимента спустя 3 года нужно отчитаться о его внедрении. В противном случае государство забирает деньги обратно. Мировые же лидеры, например фирма «Дюпон», продвигая на рынок свое новое волокно, объединяют вокруг себя производите­- лей тканей, трикотажа, красильщиков, отделочников, швей и продавцов. Образуется цепочка, которая позволяет фирме доводить свой продукт до рынка. Все это требует огромных вложений, которые, правда, вполне по карману производителям такого уровня. В России подобной цепочки нет. Отечественная текстильная промышленность объединяет примерно 15?тыс. предприятий, из них 12 тыс. мелких, которые не могут себе позволить отделочное производство. Ведь волокно везде нужно довести до готового изделия, а это громадная работа, требующая огромных усилий и средств. Имеющие средства банковские структуры пугает риск вложения инвестиций в инновационные проекты нанотехнологий из-за отсутствия гарантированного внутреннего спроса на продукцию. По мнению ученых ЦНИИЛКА, выход из ситуации может быть таким. Произ­водители (предприятия химии) и потребители (легкая промышленность) должны договориться и разделить риски пополам. Вполне вероятно, что они не прогадают. Ведь готовые изделия нанотехнологии быстро окупаются как благодаря возможности увеличения их стоимости, так и за счет их рыночного дефицита. Сегодня потребность в специальных волокнах (негорючих, антимикробных, электропроводных) оценивается на уровне 30 тыс. т. Цифра не малая, да и производство их не такое уж затратное — ведь это не завод, а модульные установки. Прядение волокон не подразумевает, что все они должны быть с крейзами. Доля последних может составлять, например, 10, 20 или 30% от общего числа волокон, что существенно удешевляет процесс. Тканые поглотители и?экраны Одна из наиболее интересных областей применения наноматериалов в текстильной промышленно­- с­ти?— это производство тканых погло­тителей и экранов электромагнитных волн. Тканые поглотители используются в первую очередь для маскировки военной техники, а экранирующие материалы применимы везде, где требуется защититься от проникновения электромагнитного поля. В?частности, при производстве за­щитной спецодежды для персонала, обслуживающего ретрансляционные станции сетей сотовой связи. Ведь вблизи ретранслятора напряженности магнитного и электрического полей таковы, что способны вызвать серьезные нарушения здоровья человека. Дети же, как более уязвимые, могут пострадать и не в таких экстра­ординарных ситуациях. Достаточно просто находиться в комнате, где установлено с десяток компьютеров и имеется металлическая доска — наложение волн в пространстве также приводит к усилению напряженности поля. И, наконец, большое значение имеет развитие методик экранирования для проблемы обеспечения государственной и коммерческой тайны. Сегодня с «жучка» прослушивания через оконный проем можно получить информацию практически на расстоянии до 1 км. Для защиты помещения, например комнаты переговоров, используются специальные материалы и конструкции, представляющие со­бой, как правило, унылый металлический короб без окон и дверей. Тот, кто способен заплатить деньги за более комфортное и красивое решение, в частности, банковские структуры, могут обратиться в ОАО?«Цент­ральное конструкторское бюро специальных радиоматериалов» (ОАО?«ЦКБ СРМ», г. Москва). Для защиты оконных проемов здесь был разработан специальный материал, сочетающий элегантное дизайнерское решение с радиотехнической сущностью. Гово­ря проще, это просто красивые шторы, поглощающие электромагнитное излучение. Но на этом область применения экранирующих материалов не исчерпывается. В настоящее время при обилии всевозможной электронной техники все более актуальной становится проблема электромагнитной совместимости. Иными словами, электромагнитные поля, генерируемые одним прибором, не должны нарушать работу других. В России введены в действие ГОСТ Р 50839-95 и 50842-95, устанавливающие требования к защите от электромагнитных излучений. Основными заказчиками подобных экранов, препятствующих распространению электромагнитных волн, являются предприятия аэрокосмической отрасли. Ведь отказы в работе автономной бортовой аппаратуры измеряются огромными потерями, в?т.?ч. и финансовыми. Для обеспечения согласованной работы бортовых приборов необходимы тонкие поглотители электромагнитных волн, удовлетворяющие определенным критериям. С?этой целью в ЦКБ был разработан наноструктурный микропровод — композит, внутри которого находится черный стержень из аморфных металлических сплавов на основе переходных металлов, а вокруг — стек­лянная изоляция. Толщина жилы и изоляции составляет соответственно 2–30 и 5–10 мкм. Электрические свойства провода могут меняться в широком диапа­зоне в зависимости от геометрии и?химического состава жилы. Фор­мируется этот материал методом индуктивной плавки, при которой металл расплавляется, а стекло только размягчается. При понижении температуры происходит процесс затвердевания, однако кристалли­ческая решетка не формируется. В?итоге получается провод в стеклянной изоляции. При небольшом повторном нагревании материала образуются нанокристаллиты*. Инте­рес­ны свойства переходного слоя между металлом и стеклом (проводником/изолятором) толщиной всего 50 нм, т. е. переход между двумя аморфными фазами. Из-за сильного различия в термических коэффициентах линейного расширения провод находится в сильно напряженном состоянии. Благодаря этим напряжениям материал имеет магнитные свойства в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне. (Тут следует отметить, что у всех известных веществ, за исключением ферритов, в этом диапазоне магнитных свойств практически нет.) По прочности материал на основе микропровода не уступает металлокорду. Таким образом, удалось получить эффективный электромагнитный экран, поглощающий как электрическое, так и магнитное поле. Выпускается он на экспериментальной российской установке, выдающей за смену 100 км провода. Микропровод может применяться для изготовления радиопоглощающих и экранирующих материалов, различных датчиков, резисторов, кодирующих меток и другой подукции. Специалисты ЦКБ научились присоединять к микропроводу нити любой основы. Так, например, для военных целей требуется негорючесть, поэтому нужно брать стеклянную нить. Итогом разработки и опробования соответствующей технологии на текстильных предприятиях стал пушистый коврик, под которым можно удачно прятать военную технику. В 2007 г. материалы из наноструктурного ферромагнитного ми­кропровода были приняты на снабжение российской армии. На сегодня это самый хороший материал, который гарантированно сохраняет свои свойства в течение 15–20 лет. Он эффективно скрывает военную технику от обнаружения в оптическом, инфракрасном и радиодиапазоне. По словам разработчиков, если принять величину падающего потока излучения за 100%, то отражается только 0,5%(!), что не дает возможности обнаружить объект. В?дальнейшем удалось ис­пользовать и другую основу для микропровода: хлопок и шелк. По­лучились разновидности текстильных маскировочных материалов, из которых можно изготавливать, как уже говорилось, защитные шторы. Аналогичным об­ра­зом пытались работать и со льном, однако льняная нить не очень ровная, так что ее использование достаточно проблематично. Кстати, говоря о льне, стоит заметить, что его элементарные волокна имеют веретенообразную поверхность и в отличие от шерсти и хлопка не обладают сцепляемостью. Поэто­му в текстильном производстве это растительное сырье перерабатывается в виде комплексов, раздробленных по толщине. Как следствие, прин­ципы наноконструирования льняных текстильных материалов имеют свои особенности. Возможны и другие варианты специальных материалов, в частности, текстиль с защитным покрытием толщиной от 5 нм, полученным способом вакуумного напыления. Однако таким методом нельзя напылить покрытие на хлопок или шерсть, т.?к. в них слишком много влаги — установка перестает работать в штатном режиме. Тем не менее на ней можно получать монофиламент­ные волокна, а значит, и ткани типа тюля. По заказу одного из банков специалисты ЦКБ создали материал серебристого цвета. Его красота сочеталась с прекрасным свойством, заключающимся в невозможности наружного прослушивания по электромагнитному каналу. По­сколь­ку обратное отражение сигнала составляет около 1%, работу компьютера и других ус­тройств отследить невозможно. Один из вариантов применения материалов-поглотителей рассчитан на самую широкую публику. Это чехольчики для мобильных телефонов, которые, как известно, излучают разные частоты, действующие на костную и нервную систему, хрусталик глаза. Кладешь мобильник в чехол, и его звонки перестают беспокоить аудиторию. Думается, на этом область применения защитных материалов далеко не исчерпывается. Благодаря своей перспективности новинки смогут завоевать еще не один сегмент рынка функционального текстиля. Нетканое термополотно Существуют нетканые материалы, которые нельзя напрямую отнести к функционально активным, од­нако и у них есть особое назначение. Может быть, не столь ответственное, но весьма близкое сердцу рядового потребителя. Речь идет о возможности создания комфортного микроклимата для человека. По­добный вариант текстильного наполнителя для постельных принадлежностей, шелковое и бамбуковое термополотно, предлагает фирма «БМ текс­тиль» (г. Иваново). Главное в нем — максимум удобства для человека, ведь во сне мы проводим треть своей жизни, а некоторые, — так и половину. Термоскрепленное полотно — это нетканый материал, состоящий из синтетических волокон, скрепленных термическим способом. Сообразно веяниям времени в состав этих материалов в значительном количестве входят натуральные волокна. Пер­вый материал содержит шелк тутового шелкопряда и синтетические волокна в пропорции 60:40. Ос­новным достоинством второго, как следует из его названия, является высококачественное экологически чистое волокно бамбука. Шелковое термополотно используется как наполнитель для постельных принадлежностей высокого класса. Натуральный шелк состоит из тончайших протеиновых волокон, беспорядочно сплетенных между собой. Вот эти-то волокна и обеспечивают идеальный микроклимат для человека, что многие из нас хорошо знают на практике. Недаром так популярны летом легкие и невесомые блузки из натурального шелка. Возвращаясь же к термополотну, следует отметить, что под одеялом с таким наполнителем не холодно зимой и не жарко летом. Материал абсолютно не вызывает аллергии, устойчив к бактериям и,?что немаловажно, подходит людям любого возраста. Более того, по утверждению представителей фир­мы, такие одеяла обеспечивают идеальный отдых, успокаивают нервную систему, предотвращают бессонницу, полностью снимая напряжение после трудового дня. Наконец, они обладают профилактическими и защитными свойствами от простудных заболеваний и даже гриппа. (Надеемся, все это ивановцы почерпнули из собственного опыта.) Изделия с бамбуковым термополотном в качестве наполнителя обладают очень хорошей воздухопроницаемостью, что обеспечивается пористой структурой волокон. Это позволяет регулировать температуру тела и создает ощущение легкой прохлады в жаркую погоду. Порис­тость придает полотну и высокую гигроскопичность. Изделия быстро сохнут и восстанавливают форму после стирки. Как и шелковое термополотно, этот материал также не вызывает никаких признаков аллергии, а кроме того, обладает антимикробными свойствами и предотвращает размножение бактерий. Медицинский текстиль Медицина входит в число важнейших сфер применения технического текстиля. И здесь поле для исследований в области создания новых нитей и материалов чрезвычайно широко — как и список человеческих заболеваний. Центральный научно-исследовательский институт хлопчатобумажной промышленности (ФГУП «ЦНИХБИ», г. Москва) разработал несколько новых видов эластичных крученых комбинированных нитей. Благодаря использованию скрученных эластомерных и комбинированных нитей в сочетании с шерстяной и хлопчатобумажной пряжей и многофиламентными полиамидными текстурированными нитями удалось создать целый ряд лечебно-профилактических изделий для фиксации суставов. В их числе, например, трубчатые эластичные наколенники и налокотники, повязки на голень (гольф) и др. Повязки фиксируют и согревают суставы, создают необходимое лечебное давление в целях профилактики и?лечения их хронических и острых заболеваний. Применять их можно как в лечебных учреждениях, так и в быту. Для серийного выпуска продукции разработаны технологические режимы производства, а также, совместно с ФГУ «Институт хирургии им. А. В. Вишневского Росмедтехно­логий» (г. Москва), соответствующие технические условия. ФГУП «ЦНИХБИ» созданы и технологии выработки льносодержащей пряжи с использованием механических и химических методов котонизации льняного волокна для производства медицинской марли и ее отделки. Медико-биологические ис­пы­тания полученной марли проводились в Центре перевязочных, шовных и полимерных материалов в хирургии при Институте хирургии. Результаты показали, что по своим техническим характеристикам отбеленная льносодержащая марля превосходит медицинскую хлопчатобумажную улучшенного качества. По токсикологическим и санитарно-химическим показателям она полностью соответствует требованиям, предъявляемым к медицинским из­делиям этого назначения. Технология, разработанная для производства льняной ваты, обеспечивает высокую очистку от сопутствующих веществ и примесей, придание гидрофильных свойств и повышенной белизны. Отбеливание осуществляется с применением эффективных текстильно-вспомогательных веществ. В результате материал приобретает мягкий шелковистый гриф, меньше электризуется и легче поддается дальнейшей переработке. Надо сказать, что в Институте хирургии очень интересуются медицинскими аспектами использования текстильных материалов и наноструктурированных покрытий. Среди различных эндопротезов с нанопокрытием здесь опробуются и текстильные эндопротезы для пластики грыж. Такие имплантанты хорошо прорастают, быстро фиксируются за счет пористости и не очень высокой биоинертности*. Используют их при лечении обширных дефектов брюшной стенки. Для обеспечения небольшого, но постоянного антимикробного эффекта эндопротезы покрывают серебром. При этом не увеличивается жесткость и не изменяется прочность материала. Антибактериальные свойства се­ребра известны всем, так что польза «серебряного» белья сомнений не вызывает. Это белье изготавливается на основе полиэфирных биоактивных микрофиламентных нитей не­мец­кой компании Trevira, в структуру которых интегрированы ионы серебра. Из полиэфирных нитей выполнена изнаночная сторона бельевого полотна, лицевая же изготовлена из хлопка. Подбор оптимального содержания полиэфирных нитей (50%) обеспечивает изделиям активные защитные свойства против микроорганизмов и повышенный комфорт для человека. Изделия отличаются высокими гигиеническими свойствами, прекрасно отводят влагу и пропускают воздух, предотвращая появление неприятного запаха. При этом они хорошо растягиваются, элегантно облегают тело, а их мягкий гриф приятен для кожи. Материал не вызывает аллергии и раздражения кожи, а его антимикробный эффект сохраняется после многих стирок. Антимикробные свойства изделий подтверждены сертификатом Инс­титу­та гигиены и бактериологии при Исследовательском институте Го­генштейна (Германия). В помощь музеям Варианты использования функ­ционального текстиля можно найти в самых разных сферах человеческой деятельности, на первый взгляд весьма далеких от легкой промышленности. Например там, где оседает пыль веков, — в музеях. Реставрационные работы — область, в которой перекрываются интересы текстильщиков и музейщиков. Конкретнее, их интересует придание антимикробных свойств экспонатам, выполненным из текстильных материалов. При этом нужно обезопасить себя от изменений самого материала, его прочности и обеспечить длительное сохранение антимикробных качеств. Примером таких исследова­- ний служат работы, выполненные в?ГосНИИ реставрации (г. Москва). Чтобы осуществить их, концерн «Наноиндустрия» предложил шесть препаратов на основе наночастиц металлов, три из которых с серебром?— 0,045-процентные коллоидные растворы в изооктане, воде и воде со спиртом. Изучались также препараты меди и железа практически в той же концентрации. В качестве тестовой культуры были выбраны наиболее часто встречающиеся представители плесневых грибов. Препаратом сравнения стал обычно используемый фунгицидный состав катамин АБ, эффективно действующий в концентрации 1% и обеспечивающий эффект подавления примерно 70%. Выбранные концентрации испытуемых препаратов не превосходили эту величину, ибо в противном случае их применение экономически нецелесообразно. Помимо нанопрепаратов железа, коллоидные растворы которого оказались нестабильны, остальные по­казали, как утверждают ученые, по­трясающий, почти 100-процентный эффект. При действии нанопрепаратов изменяются все стадии развития грибов: их прорастание идет медленно, нити фрагментированы, ветвление происходит рано, но листовые трубки не формируются. При этом медь еще и подавляет развитие спор, т. е. воздействует на продуктивную способность. Таким образом, опыты однозначно показали, что подобные препараты являются фунгицидными и хорошо сохраняют свойства при нанесении на материал. Последнее очень важно, поскольку не все вещества сохраняют при этом биоцидные качест­ва. Более того, свойства препаратов проявляются и при очень низких концентрациях. По фунгицидному действию их растворы в концент­рации 10-3 аналогичны 1,5-процент­ному раствору катамина. Каковы же могут быть первые, пробные сферы применения «реставрационных» новинок? Прежде всего, это приготовление паспортов экспонатов, упаковочного материала, препятствующего развитию биоповреждений, подложек для картин. Ведь дублировочные холсты при создании копий картин должны быть хорошо защищены от биоповреждений. Таковы лишь первые шаги в этом направлении. Как утверждают специалисты ГосНИИ реставрации, в будущем их ждет нотная библиотека Большого театра, более 60 тыс. экземпляров которой повреждены плесневыми грибами. * * * В заключение скажем несколько слов и о проблемах использования наноструктурированных материалов. Основные сложности здесь связаны с областями, где речь идет о здоровье человека, в частности, с медициной. Каковы же проблемы, возникающие при использовании биозащитных медицинских материалов? Прежде всего, не существует четкой формулировки понятия биозащиты в этом смысле. С точки зрения химиков, такие препараты должны быть зафиксированы в материале, чтобы постепенно выделять в организм пациента активные вещества. Дру­гими словами, они должны иметь пролонгированное действие с учетом реальной картины излечения. Не­сколько другую формулировку предлагают медики: препараты должны быть прочно зафиксированы, но при этом выделять вещества, которые бы обеззараживали и пациента, и окружающий воздух. От принятия одного из этих принципов зависит и методика оценки антимикробного действия материалов. Существуют и другие проблемы. Почти два года назад главный государственный санитарный врач РФ, глава Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека Геннадий Онищенко призвал усилить контроль за наноиндустрией. При этом он рекомендовал производителям и поставщикам продукции, полученной с использованием нанотехнологий и/или содержащий наноматериалы, указывать в информации для потребителей соответствующие сведения. Кроме того, Онищенко потребовал при предоставлении документов для проведения санитарно-эпидемиологической экспертизы продукции давать сведения об использовании в ней нанотехнологий или наноматериалов с подтверждением их безопасности для человека. Для подтверждения же безопасности требуются многочисленные анализы, доказывающие безвредность таких материалов. Прежде всего, регламентируется размер наночастиц — до 100 нм. Далее, оговариваются такие условия испытаний, которые для многих текстильных институтов являются нереальными. Все это в совокупности отнюдь не способствует быстрому внедрению нанотехнологий в текстильной промышленности. Тем не менее именно с этим направлением связан сегодня существенный прогресс в области создания востребованных рынком специальных материалов. Светлана Семенова