Сферы применения нанотекстиля
Современный текстиль очень активно и эффективно начал внедрять самые передовые технологии: информационные, био-, нано-, плазменные, лазерные, радиационные и т.д. Использование этих технологий позволяет производить ткани и одежду с комплексом новых потребительских свойств, с новыми областями применения (армия, медицина, спорт, отдых, техника). В структуру любого химического волокна на стадии приготовления раствора или расплава волокнообразующего полимера можно вносить частицы наполнителя наноразмеров. В зависимости от химической природы наночастиц наполнителя мы будем получать нанонаполненные волокна с разными свойствами (высокая механическая прочность, электропроводность, фотоактивность, антимикробные, сенсорные свойства, чувствительность к изменению температуры и т.д.) [7].
3. 1 Колористическое направление
Одна из важных областей использования нанотехнологий в текстильной промышленности - это колорирование, то есть крашение и печатание. Цветной рисунок текстильных материалов по определению - нанотехнология. Молекулы или ионы красителей (имеют размеры 2-3 нм) проникают в структуру волокон, и там происходит их самосборка в моно- и полиадсорбционные слои толщиной не более 2-6 нм.
В некоторых случаях окрашенное вещество вступает в химическую реакцию с функциональными группами волокон и образует прочную связь с полимером волокна. Можно сказать, что в этом случае формируются единые окрашенные макромолекулы волокна. Окраска становится суперустойчивой к многократным стиркам.
Сейчас нанотехнологии подбираются к формированию устойчивых окрасок вообще без всяких красителей и пигментов. Это так называемая структурная окраска, когда тот или иной цвет возникает за счет структуры, состоящей из отверстий определенного размера и геометрии, образующих "нанокружева" определенного орнамента. Это удается успешно сделать живой природе. Так глубокий черный и ярко-голубой цвет крыльев бабочки Papilio Ulysses обязаны именно такой структурной окраске (Рис. 3).
Такая окраска возникает в результате взаимодействия света и кружевной структуры крыльев бабочки. Она исключительно устойчива к действию света, что не удается достичь в случае окраски, полученной с помощью окрашенных веществ.
Кружевными наноструктурами можно добиться не только цветного эффекта, но и получить эффект «невидимки». Этот принцип используется в разработках самолетов – невидимки «Стелс». Положительные результаты на опытных образцах получены и для производства одежды – невидимки. Одежда – невидимка по отношению к приборам ночного видения (видят ИК-излучение) по технологии с элементами нанотехнологии колорирования традиционными классами красителей широко используется армиями многих стран и террористами [3].
Также невидимые ткани пользуются большой популярностью и в бытовой одежде. Например, они способны создавать оптическую иллюзию идеальной фигуры. Благодаря «невидимым панелям» или «виртуальному камуфляжу» любая женщина сможет казаться стройной и подтянутой (Рис. 4).
Сусуми Тачи (Susumu Tachi), профессор Токийского Университета, представил подобную новинку под названием Transparent Cloak (Прозрачная мантия) еще пять лет назад, но, несмотря на революционность и огромные перспективы его изобретения, дизайнеры не спешат применять столь непривычный материал в своих коллекциях [9].
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. 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 адаптироваться 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 [6].
3.2 Ароматкани
В настоящее время наблюдается тенденция развития ароматизации текстильных материалов. Идея выпуска таких 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 продолжительного 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). 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 возле 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 продолжительного действия, и запах способен сохраняться в течение длительного времени.
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 [6].
3.3 «Умная одежда»
Особое направление в производстве нанотекстиля занимает производство сенсорных волокон, тканей и трикотажа. Такой текстиль называют электронным, и он используется в обмундировании, в спортивной одежде, одежде для больных. Такой сенсорный текстиль позволяет в непрерывном режиме отслеживать основные параметры организма человека (температура, давление, пульс и т.д.), контактирующего с этой одеждой. Из такого текстиля изготавливают гибкие экраны для дисплеев и другие электронные устройства. В одежду монтируют микро- (нано) видео и аудиотехнику [3].
Одно из их последних изобретений – рубашка «Oricalco», ткань которой «запоминает» очертания фигуры своего обладателя. Кроме того, эта «умная» вещь реагирует на состояние окружающей среды: стоит температуре опуститься ниже определенного градуса, рукава рубашки немного сжимаются (и наоборот) для того, чтобы ее владельцу тут же стало теплее (рис. 5).
Некоторые из текстильно-технических инноваций не только приживаются, но и уже пользуются большим спросом на локальных рынках. Так, американская компания Textronics два года назад запустила бюстгальтеры из материала NuMetrex: «волшебная» ткань способна контролировать сердцебиение и дыхание обладательницы, что, безусловно, очень важно для любительниц фитнеса [9].
В США ведутся работы по созданию жилетов, позволяющих пилотам сверхзвуковых самолетов ВМФ быстро ориентироваться в пространстве в критических ситуациях. Эксперты полагают, что 7 из 10 авиакатастроф, случившихся со сверхзвуковыми истребителями ВМФ США, связаны с потерей ориентации пилотами при плохой видимости и невозможностью вследствие этого предпринять действия, предотвращающие аварию или смягчающие ее. Действие спецжилета основано на чувстве осязания. В него вшиты тактильные стимуляторы, посылающие в нужный момент вибрацию, что препятствует дезориентации и ориентирует внимание пилотов на нахождение сторон (вверх, вниз, влево, вправо). На сегодняшний день испытан первый вариант жилета и ведется активная работа над его усовершенствованием.
«Умные ткани» широко используют лидеры спортивной индустрии – фирмы Adidas, Nike, Reebok, создавая экипировку для спортсменов высшего эшелона, участников олимпиад, мировых и европейских первенств. Спортивная одежда участников подобных соревнований становится все более специализированной и усложненной, способной влиять на результаты спортсменов.
Фирма Nike является обладателем патента на технологию Zoned Aerodynаmic (аэродинамическое зонирование): в костюмах для конькобежцев и лыжников применяется до 6 различных материалов, сочетание которых оптимизирует аэродинамические свойства одежды. Каждый вид материала используется для «прикрытия» определенной части тела, а швы обработаны таким образом, чтобы свести к минимуму сопротивление. Облегающий костюм для пловцов «акулья шкура», созданный в соответствии с гидродинамическими требованиями фирмой Adidas, помог на Олимпийских играх в Сиднее (2000 год) австралийскому пловцу Яну Торпу выиграть 3 золотых медали. Британская компания Speedo, конкурирующая с Adidas, создала водоотталкивающий костюм, который облегчает пловцам скольжение в воде и повышает их скорость.
Также создатели спортивной одежды предложили модель для мотоциклистов и велосипедистов – нагревающийся жилет, который подсоединен к мотоциклу или велосипеду, а вырабатываемая энергия передается к токопроводящей одежде. Максимальная температура нагрева – 43оС. Жилет можно носить и автономно, без транспорта, для этого разработан специальный пояс с батареями. В улучшенную модель жилета встроен миникомпьютер, который позволяет программировать нагрев разных частей тела. Разработчики утверждают, что их потребителями могут быть не только экзальтированные любители экстравагантной одежды, а обычные рабочие, машинисты, «дальнобойщики», работа которых связана со значительными колебаниями температуры.
Для создания обогреваемой одежды можно использовать не только токопроводящие ткани. Предложено вводить в волокна содержащие парафин микрокапсулы, которые способны поглощать тепло, выделяемое, например, телом лыжника, и, наоборот, отдавать его при перепаде температур и уменьшении теплоотдачи телом. Куртки с таким «теплообогревом» уже имеются в продаже [6].
Исследователи из Университета Беркли (США), заняты еще одной проблемой одежды нового тысячелетия - хранением и передачей данных от одежды к персональным компьютерам хозяина (Рис. 6). Например, компания Electronics Group создает матрицы транзисторов, которые, входя в структуру ткани одежды при необходимости будут хранить или передавать данные. Таким образом, одежда будет представлять собой целую компьютерную сеть, которая сможет легко взаимодействовать с локальными сетями и Интернетом с помощью беспроводных технологий. Для интеграции транзисторов в ткань использовано совмещение тонких алюминиевых нитей, покрытых специальным материалом, с нитями хлопковой пряжи [10].
3.4 Биомиметика в текстиле
В современных нанотехнологих широко используется прием, называемый биомиметикой, суть которого состоит в том, чтобы «подсмотреть» и повторить успешное решение проблемы, которое использует сама природа. Так были получены ткани-«липучки», принцип действия которых был взят у геккона, сверхпрочные нити и «самоочищающаяся» ткань, секрет которой подсказал цветок лотоса.
Американские исследователи из университета Клемсона (Clemson University) на основе детальных исследований структуры листьев лотоса создали «самоочищающееся» покрытие, которое отталкивает гораздо больше воды и грязи, чем обычные ткани. По словам химика-текстильщика Фила Брауна, покрытие не очищает само себя, оно просто отталкивает грязь лучше, чем любая существующая сегодня ткань. Принцип действия позаимствован у природы. Как было установлено, листья лотоса обладают свойством «самостоятельного очищения», их поверхность отталкивает большую часть грязи и воды. Поверхность (Рис. 7а) листа лотоса устроена таким образом, что капля воды катится по нему, собирая грязь (Рис. 7c). А на гладкой поверхности (Рис. 7b), наоборот, капля воды, сползая, оставляет грязь на месте.
Исследователи повторили этот механизм, нанеся разработанное покрытие на волокна ткани. Для этого ткань обработали специальным связующим полимером (полиглицидилом метакрилатом), который затем покрыли наночастицами серебра, остановив на них свой выбор из-за их противомикробного действия. Далее на поверхности наночастиц был выращен еще один полимерный гидрофобный слой, который отталкивает капли воды, заставляя их катиться по ткани и собирать грязь. Покрытие устойчиво и не разрушается при очистке и механическом воздействии.
Созданная ткань, использующая этот принцип, даже если ее пытаться сильно испачкать, будет отталкивать большинство мокрой грязи, а оставшуюся можно будет легко смыть обычной водой. Использование различных наночастиц в составе нового покрытия, безвредного для окружающей среды, позволит ткани приобрести ряд полезных свойств: от поглощения неприятных запахов до уничтожения микроорганизмов.
Новое запатентованное покрытие пока не имеет официального названия. Его можно нанести практически на любую ткань, включая шелк, полиэфир и хлопок. Однако технологический процесс достаточно сложен и не может быть реализован в промышленности, пока не будет создан простой и надежный принцип обработки ткани в несколько этапов. Тем не менее, ткани, обработанные новым покрытием, могут появиться на рынке уже к 2011 году.
Другой пример - маленькая ящерица геккон, которая может ползать практически по любой поверхности. Для того чтобы имитировать это ценное качество, необходимо было сначала разобраться в механизме работы лапок рептилии. Результаты исследований, проведенных в центре нанотехнологий в Манчестере показали, что на лапках у геккона расположен ряд кератиновых волосков размерами около 200 нм. Капиллярные силы помогают геккону ползать по влажным поверхностям, а силы Ван-Дер-Ваальса - по сухим. Каждая волосинка связывается с поверхностью с силой в 10-7 Н. Благодаря высокой плотности волосков на лапках геккона, сила связи значительно увеличивается. Так, поверхность размерами 10 х 10 см, состоящая из волосков кератина, может удерживать груз в 100 кг. Команда из Манчестера решила продолжить исследования, попробовав сконструировать такой же массив нановолокон. Однако в изготовленном с помощью электронно-лучевой литографии образце только некоторые волокна смогли эффективно соединяться с поверхностью. Это связано с тем, что выращенные исследователями пластиковые волокна жестче, чем аналогичные у геккона. Далее, экспериментируя, исследователи нашли оптимальный вариант геометрии поверхности - диаметр волокон 500 нм, расстояние между волокнами - 1,6 мкм, и длина - 2 мкм. Полученная поверхность 10 х 10 см смогла удержать всего 30 кг, т.е. была хуже природной. Дальнейшие эксперименты с гекконом показали, что присоединение лапок к поверхности происходит в несколько приемов. Исследователи решили в будущем материалы делать гидрофобными (подобно кератину геккона). В теории, волокна из такого материала не будут прилипать друг к другу. И, конечно же, встал вопрос о массовом выпуске «гекконовых лапок» с помощью менее дорогих технологий [2].
3.5 Наноткани в медицине
Не менее интересной и перспективной является фабрицевтика – синтез текстильной и фармацевтической отраслей. Одно из действующих и успешно применяемых изобретений – ткань Lycra Body Care, созданная совместно компаниями Lycra и International Flavors & Fragrances. Благодаря особым микрокапсулам этот материал при соприкосновении с кожей способен выделять массу полезных веществ – от ароматических композиций и антицеллюлитных кремов до витамина Е и экстракта алоэ [9].
Также можно привести ещё один положительный пример из отечественной практики производства и успешного применения нанотекстиля в медицине – онкологии. Оказалось, что на текстильной основе, как бипористом суперсорбенте с помощью текстильной технологии (печать) и полимерной нанокомпозиций – гелей с включением в них широкого ассортимента лекарств, можно создать композиционный лечебный текстиль «Колетекс» широкого ассортимента, в том числе и для помощи в лечении онкологических больных. Такие нанокомпозиты на текстильной основе позволяют направленно подводить к раковой опухоли необходимые лекарства. Они являются универсальными лечебными инъекциями, куда могут быть включены любые лекарства сегодняшнего дня и завтрашнего. Всё это позволяет улучшить качество жизни онкологических больных и увеличить срок их жизни без рецидивов [3].
Таким образом, можно сделать вывод о том, что 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. Однако игра стоит свеч, и разнообразная продукция нанотехнологий начинает покорять мир [6].