Новое в структуре волокон (тканей)

технологии изготовления полимерных нановолокон;

технологии получения полимеров и волокон, основанных на методах генной инженерии и биометики.

. Функционально активный текстиль

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. Это так называемый функционально активный текстиль, каждый конкретный вариант которого разрабатывается в соответствии с определенным назначением. Именно назначение и определяет, какие модифицирующие компоненты используются для придания текстилю тех или иных свойств.

Тканые экранирующие материалы применимы везде, где требуется защититься от проникновения электромагнитного поля. Для получения вышеуказанных свойств, наиболее часто используют металлизацию тканей, в первую очередь синтетических полиэфирных полотен. Для этого, часть уточных нитей в ткани заменяют металлическим проводом или фольгированной нитью. Возможны и другие варианты металлизации, в частности, текстиль с защитным покрытием толщиной до 15мкм, полученным способом вакуумного напыления [7].

Современные спортивные и бельевые трикотажные изделия характеризуются высокими комфортными свойствами, хорошей растяжимостью, облегаемостью и многофункциональностью.

Одним из основных направлений развития многофункциональных трикотажных полотен является создание таких полотен с защитными антимикробными и улучшенными потребительскими свойствами.

При эксплуатации бельевых и спортивных изделий из биоактивных трикотажных полотен обеспечиваются профилактика и защита от вредных микроорганизмов, повышение иммунитета и создание комфортных условий жизнедеятельности человека.

Для придания антимикробных свойств трикотажным полотнам используются следующие способы и технологии:

применение модифицированных полиэфирных нитей и волокон с биоактивными нанодобавками, содержащими ионы серебра, на базе структур трикотажных полотен, обеспечивающих максимальное использование этих свойств;

обработка трикотажных полотен химическими препаратами, содержащими в качестве биоцидного агента серебро в ионной форме или в виде наночастиц, на заключительном этапе отделки.

В Российской Федерации выполнен комплекс научных исследований по созранию ассортимента биоактивных трикотажных полотен на основе применения отечественной хлопковополиэфирной пряжи с содержанием биоактивных полиэфирных волокон и полиэфирных текстурированных микрофиламентных нитей с биоактивными нанодобавками [8, с. 54].

Вопрос создания рациональной спецодежды для работающих в горячих цехах различных производств, обладающих комплексом защитных свойств от высокой температуры и теплового излучения, до настоящего времени остается актуальным. При решении вопроса создания тканей с защитными свойствами в указанных отраслях в качестве критериев особо важны такие свойства, как устойчивость к воздействию открытого пламени и прожиганию.

Для создания защитной одежды используются ткани, как из натуральных волокон, защитные эффекты которых определяются весом и специальной пропиткой, так и ткани из огнестойких волокон[9, c.55].

Основную долю в ассортименте применяемых термо-, огнестойких нитей и волокон для изготовления текстильных изделий занимают арамидные волокна, которые отличаются высокой термостойкостью [10, c.38]

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 и антигрибковые изделия, тканые поглотители, термотекстиль и экраны электромагнитных волн.

. «Умные волокна»

Развитие работ в области «умных волокон» идет в двух направлениях: колористическом и интеллектуальном.

Колористическое направление связано с разработкой принципиально новых видов армейского камуфляжа и развитием моды, предлагающей одежду с необычными цветовыми эффектами. Суть их состоит в использовании фото-, термо- и гидрохромных красителей. Окрашенные ими ткани могут изменять цвет под действием воды, тепла и света подобно хамелеонам. Изменения могут иметь локальный характер неопределенной формы и четко выраженный рисунок на тех или иных деталях или участках одежды.

Работы по использованию термо-, фотохромных красителей и материалов для военных целей и космоса начали интенсивно развиваться в 70-е годы прошлого века. По уровню разработок камуфляжа впереди идут США и Япония. Интенсивные исследования проводятся в Китае, Южной Корее, Тайване. Ткани-«хамелеоны», способные изменять свой цвет в зависимости от внешних факторов - идеальный материал для армейского камуфляжа. Подобно коже живых рептилий защитная одежда военного сможет мимикрировать, адаптируясь к изменениям окружающей среды.
Реализация этих идей весьма заманчива и интересна для армии, но в то же время достаточно сложна и пока не осуществлена полностью, поскольку, в отличие от бытовой одежды, к армейскому камуфляжу предъявляются очень жесткие требования по устойчивости окрасок к действию светопогоды, трению, стиркам и химчистке.

Интеллектуальное направление в развитии умного текстиля - это создание и промышленное освоение технологий, обеспечивающих получение текстильных материалов с широким набором новых свойств, расширяющих области их применения. В первую очередь работы в этом направлении были связаны с армейскими заказами.

«Умные» ткани должны уметь «следить» за сердечным ритмом солдата, вводить, если необходимо, соответствующие лекарства или купировать раны, сигнализировать о самочувствии больного. Одежда из «умных» тканей должна самоочищаться, поддерживать требуемую температуру в пододежном пространстве, нейтрализовать химические отравляющие вещества, обладать свойствами бронежилета. Экипировка военного должна при этом оставаться легкой, не стесняющей движений, а система связи, включая дисплей компьютера и клавиатуру, быть не только легкой, но и мягкой, способной изменять свою конфигурацию.

Реализовать подобное «чудо» и сделать его явью стало возможным в связи с интеграцией наукоемких технологий (hi-tech) в текстильное производство. Ведущую роль в этом сыграли нанотехнологии [11].

.1 Нанотехнологии в текстиле

Понятие «нанотехнология» ввел американский физик Ричард Фейман в 1959 году. Размерность наночастиц простирается от 0,1 до 100 нм. Нанотехнологию определяют как технологию производства материалов путем контролируемого манипулирования с атомами, молекулами и частицами сверхмалого размера и получения материалов с фундаментально новыми свойствами. Это своего рода «генная инженерия», но с неживыми объектами. Ничтожно малый размер частиц, формирующих материал, резко меняет его структуру, увеличивает внутреннюю поверхность, приводя к появлению новых свойств. Внутренняя структура, сформированная из наночастиц, придает материалам очень высокую прочность и совершенно новые свойства, отсутствующие при получении материала по традиционной технологии. Например, обычно хрупкая керамика при получении ее по нанотехнологии проявляет пластичность.

Нанотехнологии - это передовой рубеж науки, востребованный в различных отраслях промышленности: в космической и авиационной технике, вооружениях и обмундировании армии, в спортивной одежде и спортивных снарядах, медицинском и домашнем текстиле, современных средствах связи, автомобилестроении и многом другом. На сегодняшний день в текстиле внедряются следующие нанотехнологии:

производство нановолокон;

заключительная отделка с использованием нанотехнологий.

.2 Производство нановолокон

Нановолокна можно производить, наполняя традиционные волокнообразующие полимеры отличающимися по конфигурации наночастицами различных веществ или путем выработки ультратонких (диаметром в рамках наноразмеров) волокон.

Наполненные наночастицами волокна начали производить с 1990 года. Такие волокна малоусадочны, имеют пониженную горючесть, повышенную прочность на разрыв и истирание и в зависимости от природы вводимых наночастиц могут приобретать другие защитные свойства, требующиеся человеку.

В качестве наполнителей волокон широко используют углеродные нанотрубки с одной или несколькими стенками. Волокна, наполненные нанотрубками, приобретают уникальные свойства - они в 6 раз прочнее стали и в 100 раз легче ее. Наполнение волокон углеродными наночастицами на 5-20% от массы придает им также сопоставимую с медью электропроводность и химическую устойчивость к действию многих реагентов.

Углеродные нанотрубки используются в качестве армирующих структур, блоков для получения материалов с высокими прочностными свойствами: экранов дисплеев, сенсоров, хранилищ жидкого топлива, воздушных зондов и т.д. Например, при наполнении углеродными нанотрубками поливинилспиртового волокна, получаемого по коагуляционной технологии прядения, оно становится в 120 раз выносливее, чем стальная проволока и в 17 раз легче, чем волокно Кевлар (самое известное и прочное арамидное химволокно, получаемое по традиционной технологии и используемое в бронежилетах). Подобные нановолокна уже сейчас начинают применять для производства взрывозащищающей одежды и одеял, защиты от электромагнитных излучений.

Очень ценные и полезные свойства химические волокна приобретают при наполнении их наночастицами глинозема. Наночастицы глинозема в виде мельчайших хлопьев обеспечивают высокую электро- и теплопроводность, химическую активность, защиту от УФ-излучения, огнезащиту и высокую механическую прочность. У полиамидных волокон, содержащих 5% наночастиц глинозема, на 40% повышается разрывная нагрузка и на 60% - прочность на изгиб. Такие волокна используют в производстве средств защиты от ударов, например защитных касок. Известно, что полипропиленовые волокна очень трудно окрашиваются, что существенно ограничивает область их применения в производстве материалов бытового назначения. Введение 15% наночастиц глинозема в структуру полипропиленовых волокон обеспечивает возможность крашения их различными классами красителей с получением окрасок глубоких тонов.

Интенсивно развиваются исследования и производство синтетических волокон, наполненных наночастицами оксидов металлов: ТiO2, Al2O3, ZnO, MgО. Волокна приобретают следующие свойства:

фотокаталитическую активность;

УФ-защиту;

антимикробные свойства;

электропроводность;

грязеотталкивающие свойства;

фотоокислительную способность в различных химических и биологических условиях [12, c.5].

Еще одним интересным направлением в производстве нановолокон является придание им ячеистой, пористой структуры с наноразмерами пор. При этом достигается резкое снижение удельной массы (получение легких материалов), хорошая теплоизоляция, устойчивость к растрескиванию. Образующиеся нанопоры волокон могут быть заполнены различными жидкими, твердыми и даже газообразными веществами с различным функциональным назначением (медицина, ароматизация текстильных полотен, биологическая защита).

Другой тип нановолокон - ультратонкие волокна, диаметр которых не превышает 100 нм. Эта тонина обеспечивает высокое значение удельной поверхности и, как следствие, высокое удельное содержание функциональных групп. Последнее обеспечивает хорошую сорбционную способность и каталитическую активность материалов из подобных волокон [13, c.67].

В Европе (Англия, Франция), США, Израиле и Японии параллельно идут интенсивные работы по созданию синтетических белковых волокон, имитирующих структуру паутины, имеющей непревзойденные физико-механические свойства. Используя для выработки подобного белка другие продуценты (микроорганизмы, растения), удалось получить полимерные белковые нановолокна толщиной около 100 нм. Мягкий и сверхпрочный «паучий шелк» сможет заменить жесткий и негибкий кевлар в бронежилетах. Области применения «паучьего шелка» разнообразны: это и хирургические нити, и невесомые и чрезвычайно прочные бронежилеты, и легкие удочки, и рыболовные снасти. Пока речь идет о малых партиях, но нанотехнологии развиваются столь бурно и стремительно, что промышленного выпуска изделий, изготовленных из «паучьего шелка», ждать недолго.

.3 Нанотехнологии в заключительной отделке

При заключительной отделке текстильных материалов используют наночастицы различных веществ в виде наноэмульсий и нанодисперсий. При этом материалам могут придаваться такие свойства, как водо- и маслостойкость, пониженная горючесть, противозагрязняемость, мягкость, антистатический и антибактериальный эффекты, термостойкость, формоустойчивость и др. Наиболее известной нанотехнологией заключительной отделки является отделка Teflon, обеспечивающая водо-, масло-, грязезащитные эффекты. Для ее реализации используют наноэмульсии фторуглеродных полимеров. Располагаясь на внешней поверхности каждого отдельного волокна, эти гидрофобные наночастицы образуют новую поверхность, своеобразный «зонтик», наподобие того, что существует на внешней поверхности растений, шерсти животных, перьях птиц. В отличие от традиционных технологий аналогичного назначения, наночастицы, придавая требуемые эффекты, не перекрывают капиллярно-пористую структуру волокнистого материала, он остается «дышащим», поскольку его микропоры остаются открытыми для воздухообмена. Придаваемые эффекты устойчивы к многократным стиркам. Отделка по нанотехнологиям придает текстильным материалам из химических волокон хлопкоподобный внешний вид, а изделия из хлопка становятся малосминаемыми и приобретают формоустойчивость.

В разных странах достаточно широко проводятся исследования по созданию «самоочищающихся» текстильных материалов с помощью нанотехнологий. Задача исследователей - придать текстилю такой же эффект, какой свойственен живой природе: листьям растений, крыльям бабочек и насекомых, панцирям жуков. Наноэмульсии формируют на волокнах тонкую трехмерную поверхностную структуру, с которой вода, масло и грязь легко скатываются и смываются. Получаемый «супергидрофобный» эффект приводит к тому, что образующаяся на поверхности материала круглая капля способна скатываться с нее без следа при малейшем наклоне. Такие загрязнения, как пыль и сажа удаляются вместе с каплями воды, а материал приобретает эффект «самоочищения» [14, с.129].

Использование наноэмульсий дает возможность получать из хлопка текстильные материалы, лицевая сторона которых проявляет гидро-, масло-, грязеооталкивающие свойства, а изнанка остается гидрофильной, способной поглощать влаговыделения тела (пот). Одновременно такому материалу можно придавать различные бактериостатические эффекты, в том числе препятствующие появлению запаха пота. Основное назначение подобных материалов - армейская экипировка, спортивная одежда и одежда для активного отдыха.

В полимерную наноэмульсию можно также вводить наночастицы оксидов металлов TiO2, MgO, обладающих каталитической активностью, и пьезокерамические частицы для производства волоконных сенсоров, регистрирующих сердечный ритм и пульс при контакте такого материала с кожей человека.

Нанотехнологии позволили создать токопроводящие текстильные материалы, которые оказались востребованными не только для военного назначения, но и во многих отраслях мирной жизни. Электропроводящие текстильные материалы дают широкий простор для инноваций в производстве антистатической одежды и электромагнитного экранирования, для снятия заряда или подавления радиополей, а также для производства тканей с подогревом.

Сегодня токопроводящие ткани благодаря нанотехнологиям нанесения металлов - мягкие и легкие материалы, их можно стирать, подвергать химчистке.

Обычно напылению подвергают волокна, а не ткани. При переработке на ткацких станках такие волокна не создают проблем. Первые наноматериалы для напыления были выпущены на рынок фирмой DuPont, которая применяла наночастицы серебра. В настоящее время помимо серебра предложены более дешевые и доступные металлы.

Электропроводящие свойства придаются не только за счет металлизации волокон, но и другими способами. Для гидратцеллюлозных волокон типа лиоцелл предложено введение в структуру волокна наночастиц электропроводной сажи. В зависимости от концентрации последней свойства электропроводимости будут изменяться.

.4 Ароматные ткани

Мода чрезвычайно активно влияет на расширение сфер применения «умного текстиля», предоставляя ему все новые и новые позиции и ниши в ее царстве. Идея выпуска ароматизированных тканей витала в мире моды давно. Известно много попыток в этом направлении. Однако запахи были слишком резкие и сильные или быстро улетучивались. Создать ароматные текстильные материалы с мягким ненавязчивым парфюмом пролонгированного действия долго не удавалось. Успех пришел только в конце прошлого века.

Химикам известны соединения, которые благодаря своему строению обладают удивительным и важным свойством - способностью к образованию с различными веществами комплексов типа «хозяин-гость», называемых инклюзионными комплексами, соединениями-включениями, клатратами. Такой комплекс представляет собой соединение, в котором в полость молекулы «хозяина» включена молекула «гостя» без образования прочных химических связей. Подобный комплекс не влияет на физические и химические свойства «гостя», но «хозяин» способен его удержать подле себя определенное время. Подбирая соответствующие габариты «гостя» и «хозяина» и удерживающую силу последнего, можно запрограммировать и рассчитать длительность пребывания в «гостях». При создании душистых текстильных материалов «гостями» стали химические соединения, обладающие запахами. Комплексы-включения обладают эффектом пролонгированного действия, и запах способен сохраняться в течение длительного времени. Особое распространение и популярность ткани с парфюмом получили в Азии [15, c.37].

Большое внимание созданию душистых тканей уделяет компания Woolmark, которая в содружестве с одним из подразделений английской фирмы ICI разработала технологию Sensory Percention Technology TN, открывающую широкие возможности для производства разнообразных ароматных тканей и экологичных видов текстильной продукции. Ароматические вещества подвергаются нанокапсулированию и вводятся в волокнистый материал. Капсулы устойчивы к воздействию влаги, стирке и химчистке, заключенные в них ароматные вещества не испаряются и не разлагаются при действии окислителей. Капсулы активизируются в момент движения или соприкосновения, выделяя скрытые в них ароматы в окружающую среду. Это происходит при одевании или снятии одежды, чистке ковровых покрытий или мебельных тканей.

Еще один пример «интеллектуального» текстиля - материалы с селективным высвобождением, которые в сочетании с биосовместимыми разлагаемыми полимерами нашли применение в создании имплантационных медицинских тканей. Биоразлагаемые волокна используются в качестве хирургических имплантатов, искусственной кожи и нетканых материалов для перевязки ожоговых ран. Как правило, подобные перевязочные материалы содержат в себе лекарственные препараты пролонгированного действия.

В настоящее время в текстильном производстве промышленно развитых стран Европы, Азии и Америки происходит смена приоритетов - традиционный текстиль уходит в развивающиеся страны, а его место занимает «умный» текстиль медицинского, бытового, технического, информационного назначения и т.д., для получения которого используют наукоемкие технологии. Европа и Америка поняли, что конкурировать в производстве традиционного текстиля с Китаем, Индией, Вьетнамом, Южной Америкой, где очень дешевая рабочая сила, бесполезно. Богатство развитых стран - интеллект, и именно его надо ставить во главу угла [10].

Освоение нанотехнологий текстильной отраслью требует создания нового оборудования и новых выпускных форм отделочных материалов, решения проблем стабилизации наноэмульсий и контроля качества текстильных материалов с новыми видами отделок и эффектов. Естественно, это требует больших материальных затрат, но в промышленно развитых странах понимают, что приоритетное направление в текстиле - это внедрение наукоемких технологий, позволяющих производить материалы нового поколения, поэтому инвестиции в «умный текстиль» вкладываются значительные. Исследования активно ведутся в США, странах Евросоюза и Японии. На долю этих государств приходится соответственно 34, 15 и 20% мировых инвестиций в нанотехнологии. В 2000 году суммарное финансирование работ в этой области составило около 800 млн. долларов, а в 2001 году оно увеличилось вдвое. Эксперты считают, что для широкого внедрения нанотехнологий потребуются ежегодные затраты не менее 1 трлн. долларов.

Заключение

В наше время развитие производства волокон с новой структурой обусловлено возрастающей необходимостью в специальных текстильных материалах и в тканях с максимально высокими потребительскими свойствами. Химические волокна имеют ряд преимуществ перед натуральными: их производство <#"731587.files/image005.gif">

Рисунок А.1 - Мировое производство и потребление полиэфирных волокон.

Рисунок А.2 - Мировое производство и потребление химических волокон, хлопка, шерсти.

Рисунок А.3 - Мировое производство и потребление всех волокон в процентном соотношении в 2009 году.

Рисунок А.4 - Мировое производство и потребление шерсти, хлопка, целлюлозных, акриловых, полиамидных, полиэфирных, полипропиленовых волокон в 2009 году.

Примечание - Источник: [3].