Поиск


ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №37

                    ( читать ... )

ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №36

                    ( читать ... )

Ссылки партнеров

Сырьевые


Технологии/Сырьевые/Новые волокна и волокнистые материалы в XXI веке. Часть 3. Новые методы получения

Новые волокна и волокнистые материалы в XXI веке. Часть 3. Новые методы получения

15 июля 2005
Рынок легкой промышленности №43, 2005

Перепелкин Кирилл Евгеньевич

Новые методы получения волокон на основе принципов биомиметики и генной инженерии. Идея воспроизведения природных процессов получения полипептидных волокон и нитей насекомыми - шелкопрядами, пауками и др. - легла в основу создания химических волокон. Однако эта идея была трансформирована в сторону использования наиболее доступных в то время технологий. Поэтому развитие процессов получения химических волокон пошло по пути создания сложных технологий, которые позволили использовать достаточно доступные исходные мономеры и полимеры, синтез которых был технически и экономически целесообразен на соответствующих этапах развития производства химических волокон.

Однако несмотря на создание весьма совершенных технологий получения волокон и волокнистых материалов с необходимыми функциональными характеристиками, развитием выпуска многотоннажных волокон, с течением времени стали возникать проблемы исходных сырьевых ресурсов, процессов рециклинга, очистки выбросов, экологии и др. Их решение стало все более сложным.

Одновременно с развитием традиционных технологий получения и переработки полимеров (в том числе производства химических волокон и волокнистых материалов) стали развиваться биотехнологии, во многом лишенные указанных недостатков. Это привело к созданию новых путей и методов получения волокно- и пленкообразующих полимеров на основе биотехнологий, рассмотренных выше.

Следующим этапом явился интерес к методам получения волокон в природе, прежде всего, принципам образования натурального шелка и паутины с необходимыми для существования образующих его насекомых свойствами. Натуральный шелк (точнее, коконы, образуемые гусеницами шелкопряда) является материалом, служащим для защиты грены от внешних воздействий, и в то же время он проницаем для продуктов жизнедеятельности в процессе роста личинок.

Эти функции схожи с требованиями к материалам из натурального шелка, поэтому они имеют комплекс функциональных свойств, позволяющих получать прекрасные текстильные изделия. Паутинный шелк образуется пауками для создания и прикрепления ловчих сетей и включает до семи видов нитей различных по структуре и свойствам. Эти нити состоят из фиброинов различной структуры, в том числе близких к натуральному шелку.

Биосинтез полипептида у рассматриваемых насекомых является отдельной предварительной стадией для накопления его в виде раствора. Особенность структуры получаемого полипептида заключается в его регулярной молекулярной блок-сополимерной и, соответственно, пространственной конформации макромолекул, позволяющей получать заданную надмолекулярную (фибриллярную) структуру и свойства нитей, необходимые для жизнедеятельности насекомых.

Полученный полипептид накопленный в виде раствора, служит для формования нитей по мере необходимости, определяемой функционированием организма насекомых. Жидкокристаллический раствор полипетида в аксиальном механическом поле подвергается фазовому распаду с одновременной ориентационной кристаллизацией, синерезисом и последующим испарением воды, образуя сразу готовые волокна с равновесной структурой.

Из сказанного следует, что образование нитей натурального шелка и нитей паутины происходит путем создания заданной химической просранственной блок-сополимерной молекулярной структуры. Она предопределяет необходимые свойства, соответствующие их функциональному назначению в жизни насекомых, «производящих» эти нити. В синтезированных полипептидах заданная регулярность молекулярной блок-сополимерной структуры определяет последующую надмолекулярную упорядоченность волокон (ориентацию, кристалличность) в процессе формования с одновременной ориентационной кристаллизацией.

Рассмотренный процесс является принципиально отличным от существующих сегодня процессов получения химических волокон из гомополимеров и статистических сополимеров, где для получения заданной надмолекулярной упорядоченности применяются процессы вытягивания и термической обработки.

Таким образом, для новых процессов получения волокон и нитей перспективным путем является синтез полипептидов типа фиброина, их выделение и получение водного концентрированного раствора с последующим прямым формованием волокон, аналогично образованию природных фиброиновых волокон.

Логическим следствием является применение методов генной инженерии, т. е. введение заданных генов в клетки живых организмов, способных вследствие этого синтезировать фиброин. В настоящее время разработаны методы биохимического получения белка типа фиброиноподобного блок-сополипептида, основанные на принципах генной инженерии. Используемые микроорганизмы способны накапливать до 40% фиброина, однако из-за образования инородного для них белка они погибают. Кроме того, выделение полученного полипептида в чистом виде оказалось затруднительным.

Предложен альтернативный процесс. В разработанном методе гены, соответствующие генам паука, способным производить фиброин, имплантируются в клетки молочной железы козы, поскольку между ними есть анатомическая близость. В образующемся молоке содержится водорастворимый фиброиноподобный протеин, который выделяется в виде фиброиновой массы (своеобразного «творога») и используется для формования волокон. По своим физико-механическим свойствам они близки к прочным нитям паутины, а также к другим синтетическим волокнам.

В настоящее время в мире широко ведутся исследования как биосинтеза регулярных блок-сополипептидов, так и процессов формования натурального шелка и паутины с целью создания соответствующих технологий, близких к «технологиям», используемым этими насекомыми.

В перспективе имеется возможность использовать рассмотренный принцип «молекулярно-структурного регулирования» свойств волокон уже при синтезе новых синтетических волокнообразующих полимеров и получения волокон на их основе. Задавая однотипный молекулярный состав и пространственное строение блоков, из которых состоят макромолекулы, можно будет регулировать надмолекулярную структуру и свойства волокон в одностадийном процессе формования с ориентационной кристаллизацией.

Тогда процесс получения волокон на основе принципа «молекулярно-структурного регулирования» будет сводиться к короткой технологической схеме (см. рисунок) без привычных сегодня для традиционных полимеров и сополимеров процессов дополнительного ориентирования, релаксации и кристаллизации.

Синтезируя новые синтетические блок-сополимеры с регулярной структурой, изменяя состав, регулярность строения и размеры блоков, при синтезе можно задавать структуру волокон и их свойства. Такие регулярные сополимеры способны к ориентационной и кристаллизационной самоорганизации уже в условиях малых осевых градиентов скоростей и позволят осуществить процесс одностадийного формования с ориентационной кристаллизацией. Наибольшую трудностъ в осуществлении этого метода составляет получение блок-сополимеров с регулярной структурой и одинаковыми размерами блоков. Тем не менее, в перспективе возможно создание новых процессов синтеза, в частности матричного каталитического синтеза, и разработка их соответствующего инженерного оформления.

Таким образом, вместо регулирования свойств волокон изменением технологии их получения - формования, вытяжки, последующих релаксационных обработок, как это делается в настоящее время, можно будет получать волокна с заданными свойствами, регулируя молекулярную структуру исходных блок-сополимеров. Певые шаги в этом направлении сделаны при получении эластомерных нитей на основе блок-полиуретанов, а также при получении волокон из жесткоцепных пара-ароматических полиамидов или сополиамидов.

Организационные аспекты. Исходя из вышеизложенного, необходимо развивать соответствующие исследования на основе международной кооперации. С российской стороны они могли бы войти в федеральную научную программу, например, следующую: «Создание новых материалов и новых экономически и экологически совершенных технологий на основе воспроизводимых растительных ресурсов с применением биотехнологий». В этой программе существенную часть должны составить разработки новых волокнообразующих мономеров, полимеров и «химических волокон четвертого поколения».

Необходимо коренное совершенствование системы преподавания специальных курсов в вузах текстильного профиля с включением в программы более широких сведений по созданным в настоящее время и перспек­тив­ным волокнам и волокнистым материалам. Необходимо преподавание на основе имеющегося мирового и отечественного опыта, предполагающее получение студентами современных сведений по физике и химии волокон и волокнистых материалов (текстиля), современных технологий их получения и переработки, новых принципов создания технического и домашнего текстиля, композитов и других волокнистых материалов.

Необходимо коренное изменение преподавания материаловедения как прикладной физики и физико-химии волокон и волокнистых материалов, как основы оптимизации их применения и оценки эксплуатационных характеристик (аналогично другим направлениям наук о материалах); выделения отдельных курсов по современному ассортименту волокнистых материалов и современным методам оценки их свойств.

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ