Поиск


ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №37

                    ( читать ... )

ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №36

                    ( читать ... )

Ссылки партнеров

Текстильных изделий нового поколения


Технологии/Текстильных изделий нового поколения/Нанотехнологии в текстиле. Современные достижения

Нанотехнологии в текстиле. Современные достижения

15 марта 2005
Рынок легкой промышленности №42, 2005

Свидиненко Юрий Георгиевич

 

Что такое нанотехнологии 

По определению, данному пионером нанотехнологии  Эриком Дрекслером,  нанотехнология (молекулярная нанотехнология) - «ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной  атомарной структурой». Это значит, что нанотехнология будет оперировать с отдельными атомами для того, чтобы получить структуры с атомарной точностью. В этом коренное отличие нанотехнологий от  современных «объемных» bulk-технологий, которые манипулируют макрообъектами.

Нано - приставка, обозначающая 10-9, нанометр - 10-9 метра. На отрезке длиной в один нанометр можно расположить восемь атомов кислорода. Манипулирование атомами и молекулами - одна из задач молекулярной нанотехнологии.

Нанообъекты могут быть достаточно сложными (например, АТФаза - биологическая молекула-наномотор). Но даже простые нанообъекты (например, наночастицы металлов) имеют физические и химические свойства, отличные от свойств более крупных объектов из того же материала, а также от свойств отдельных атомов. Скажем, температура плавления частиц золота размером 5...10 нм на сотни градусов ниже температуры плавления куска золота объемом 1 см3.

Нанотехнологии  - комплекс областей науки и технологий, который  стремительно меняется под влиянием новых открытий, происходящих практически каждый месяц. Связано это с тем, что исследования, проводимые в наноразмерном диапазоне, лежат на стыке наук. Поскольку основная цель наномира - атомы и молекулы, то часто исследования в области материаловедения затрагивают области биотехнологий, физики твердого тела и электроники. Даже для создания простых наносистем необходима совместная работа многих коллективов исследователей, которые работают в различных направлениях наноразмерного диапазона. 

По поводу применения нанотехнологий на рынке легкой промышленности ближайшего будущего существует много прогнозов, но  останавливаться на них в этой статье мы не будем, основная ее цель - краткий обзор современных достижений в области текстиля и одежды.

Многие результаты исследований, проведенных с 1996 по 2003 гг., сегодня коммерициализованы и пользуются успехом на международном рынке. Такие гиганты как  Levi Strauss,  например, использовали текстиль компании  Nano-Tex  при изготовлении джинсовой одежды.

Современные тенденции применения нанотехнологий в сфере текстиля можно условно разделить на три категории:  улучшение  текстиля с помощью наноматериалов и нанопокрытий; внедрение в обычные материалы электронных компонентов и микроэлектромеханических систем (МЭМС); гибридизация текстиля и биомиметических систем 1.

Из этих направлений пока удалось коммерциализовать только первое. В отдельных продуктах, правда, используется и наноэлектронные системы и МЭМС, но, как правило, это - прототипы, единичные экземпляры или специальные военные и медицинские изделия, которые не выпускается серийно.

Наноматериалы в текстиле

Текстиль на основе наноматериалов приобретает уникальные по своим показателям водонепроницаемость, грязеотталкивание, теплопроводность, способность проводить электричество и другие свойства.

Наноматериалы могут иметь в своем составе наночастицы, нановолокна и другие добавки. Например, компания  Nano-Tex  успешно производит ткани, улучшенные с помощью нанотехнологий. Одна из таких тканей обеспечивает абсолютную водонепроницаемость: благодаря изменению молекулярной структуры волокон, капли воды полностью скатываются с полотна, которое при этом «дышит». Помимо упомянутой выше  Levi Strauss,  эти ткани использует в своей джинсовой одежде и элементах обуви, в частности,  компания  Dockers.

А американская компания  NanoSonic  разработала уникальную технологию, позволяющую создавать материалы с невозможными в природе свойствами, в частности, листы полимера, гибкие и упругие, как резина, и проводящие ток, как металл. Новый продукт назвали Metall Rubber - металлизированная резина. Процесс производства Metall Rubber  называется электростатической самосборкой. Для его реализации компания даже создала специального робота, ускоряющего создание образцов. Дело в том, что наращивание пластины или какой-либо иной детали из металлического каучука идет буквально по молекулам. Новый материал выдерживает многократное скручивание, нагрев до 200°С и агрессивные химические среды. Компания надеется, что металлический каучук найдет применение в различных областях техники: от аэрокосмической отрасли до электроники, в том числе и в изготовлении текстиля для спецодежды (рис. 1).

Из «горячих новинок» текстильного нанорынка следует отметить утеплительный материал  Aspen's Pyrogel AR5401, изготовленный на основе полимерного материала с нанопорами. Благодаря им материал ведет себя как хороший теплоизолятор. Компания  Aspen Aerogels  в марте 2004 г. начала производство из нового материала утепляющих стелек для обуви.  Эти стельки заказывали: команда, выигравшая в 2004 г. марафон к Северному полюсу, одна из канадских лыжных команд и элитное спецподразделение армии США. Отзывы заказчиков о продукте были схожими: это универсальное решение для работы в экстремальных условиях (рис. 2).

Новый изолятор сохраняет тепло лучше, чем все существующие современные материалы. По сравнению с ними  его тепловые характеристики  при одинаковой толщине образцов улучшились с 3 до 20 раз. Не удивительно, что при таких показателях изделия из нового теплоизолятора  обладают минимальной материалоемкостью. Так, в армейской обуви слой стелек из Pyrogel AR5401 составил всего 2,5 мм в толщину. Поставщик стелек из нового материала компания    Hotbeds (США) продает их по 19,99 USD за пару.

Нанопокрытия

Нано­техно­логии также применяются для улучшения свойств традиционного текстиля и изделий из него. В этом случае на текстиль наносятся покрытия,  модифицирующие его в  микронном и субмикронном размерных диапазонах. Энергосберегающая технология фотокатализа 2 очищает поверхность текстиля без применения химикатов и энергии, исключительно под воздействием нанокатализаторов, нанесенных с использованием традиционного текстильного оборудования, солнечного света и воды.

Японская компания  Toray Industries,  например, заявила, о создании новой технологии обработки текстиля, которая обеспечила прорыв в производстве  благодаря реализации  достижений в области самосборки наноструктур. Технология NanoMATRIX позволяет наносить прямо на монофиламенты обрабатываемого полотна покрытие толщиной 10...30 нанометров (рис. 3). Такого, по утверждению руководства компании, до сих пор не мог добиться никто: современные текстильные технологии до сих пор позволяли наносить покрытия либо в пространство между монофиламентами, либо в участки пересечения волокон. Для реализации этой технологии исследователи изменяли температуру, давление, электрическое поле и другие параметры окружающей среды в ходе нанотехнической самосборки. При обработке текстиля с помощью новой технологии отдельные монофиламенты не повреждаются,  текстура обрабатываемого материала не изменяется. Изделия из нанотекстиля  Toray Industries  на основе полиэфира и хлопка приобретают уникальные по своим характеристикам эластичные, водоотталкивающие и антистатические свойства.

Гонконгские ученые создали покрытие на основе наночастиц, которое предотвращает загрязнение ткани, а также способствует ее обеззараживанию. Исследования ученых велись в области разработки самоочищающихся наноповерхностей при низких температурах. По словам профессора  Джона Ксина,  с помощью новых наноповерхностей самоочистка матриалов, в частности, текстиля, может происходить в обычным комнатных условиях, без  опасных высокотемпературных воздействий. Ткань, например, покрывают химическим соединением диоксида титана слоем в 50 нм. При выдержке этого слоя на  солнце или при свете традиционных искусственных источников освещения в присутствии воды ткань сама может разлагать органические соединения, запахи, бактерии и токсические вещества (в частности, формальдегид). Лучше всего нанослой присоединяется к хлопку и синтетическим волокнам. Самоочищающийся эффект после нанесения нанослоя с использованием обычного текстильного оборудования органически присущ текстилю и действует в течение всего жизненного цикла одежды.

Некоторые нанопокрытия доступны и на  российском рынке. Это обеззараживающие покрытия на основе наночастиц серебра и оксида цинка а также покрытия, создающие устойчивый слой, который не пропускает ультрафиолет.

Электроника и МЭМС


Интеграция в текстиль микро- и наноэлектроники, а также МЭМС существенно расширяет возможности повседневной одежды, которую можно использовать в качестве средства связи и даже персонального компьютера. А изготовление текстиля со встроенными датчиками позволит призводить мониторинг состояния тела человека. Это, безусловно, откроет новые возможности в медицинской практике, спорте и жизнеобеспечении в экстремальных условиях.

Одежда во все времена играла роль посредника в общении между людьми. Летом 2004 г. компания  France Telecom  сделала эту медиафункцию реальностью, представив помещенные на рукаве беспроводные дисплеи, отображающие эмоции хозяина (рис. 4). Дизайнер компании  Элизабет де Сенневиль,  кроме того, разработала ряд гибких дисплеев, которые пришиваются в карманы одежды и используются как записные книжки, связанные с компьютером для передачи данных.

В видеопрезентации новой технологии компании Communicating Clothes молодая женщина смеется, и сердце, нашитое на ее одежду, пульсирует красным цветом. По сравнению с тем, что было представлено компанией в 2002 году, прогресс налицо: дисплеи на основе светоизлучающих диодов (LED) стали тоньше, легче и работают по технологии беспороводного соединения мобильных устройств (Bluetooth). Но главная революционная идея - передача изображения с нашивки на одежде в виде MMS на мобильный телефон. Сейчас компания проводит маркетинговые исследования для того, чтобы оценить объемы будущего рынка нового устройства, выпуск котрого планируется в ближайшем будущем.

Мало того,  Мэгги Орт,  исследователь из  Массачусетского технологического института,  пытается сделать  одежду-дисплей. Ее компания, International Fashion Machines, производит ткань из запатентованной «электронной пряжи» - набора проводящих и непроводящих нитей, покрытых чернилами, изменяющими цвет в зависимости от температуры нитей. Нагрев нитей, вызванный протеканием по ним электрического тока низкого напряжения, заставляет чернила изменять цвет, и нанесенный ранее «шаблон» (в виде конфигурации нитей) начинает проявляться на ткани. Мэгги утверждает, что уже в 2006 г. технологии «электронной пряжи» совместно с технологией «текстильного сенсора» будет использоваться в целом ряде продуктов: от больших экранов, вмонтированных в ковры, до абажуров ламп, изменяющих цвет от прикосновения. Использование этой технологии в одежде, по оценке самой Мэгги, преждевременно до разработки нових электрохромных чернил, которые позволят потреблять меньше энергии. Пока что одежду из такого текстиля можно носить только дома - всегда можно «подзарядиться». Одна из любимых идей Мэгги - создание одежды, предсказывающей погоду. Плащ, оснащенный дисплеем, будет изменять цвет в зависимости от того, какая погода на носу. И если прогноз неблагоприятен, хозяину стоит сходить домой за зонтом. Узнавать погоду плащ будет по Интернету с помощью беспроводных технологий.

Исследователи из университета штата Аризона под руководством профессора  Фредерика Ценгаусерна   пытаются создать биометрическую одежду,  интегрировав в обычное трико, которым часто пользуются спортсмены, гибкий дисплей, набор сенсоров для детекции вредных веществ, микроскопический топливный элемент, микронасосы и т.д. (рис. 5). Не удивительно, что такой «навороченный» костюм предназначается для военного применения, но может использоваться и в мирних отраслях, например, в медицине, где он сам проверит состояние больного (например, диабетика) и сам вовремя сделает необходимые инъекции.

Исследователи из   Универ­ситета Беркли  (США), заняты еще одной проблемой одежды нового тысячелетия - хранением и передачей данных от одежды к персональным компьютерам хозяина. Например,  компания  Electronics Group  создает матрицы транзисторов, которые, входя в структуру ткани одежды при необходимости будут храненить  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 аллюминиевых нитей, покрытых специальным материалом, с нитями хлопковой пряжи. Естественно до массового выпуска такой ткани, состоящей из миллиона транзисторов, дело пока не доходит.

Биомиметика в текстиле

В современных  нанотехнологих широко используется прием, назвываемый биомиметикой, суть котрого состоит в том, чтобы «подсмотреть» и повторить успешное рещение 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. Ниже мы расскажем подробнее об этих достижениях.

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 (а) листа лотоса (рис. 6) устроена таким образом, что капля воды катится по нему, собирая грязь (c). А на гладкой поверхности (b), 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 (рис. 7, a), остановив на них с?ой 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 (рис. 7, d). 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, безвердного 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 2010 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.

В данной статье освещена малая толика тех достижений, которые уже вышли на рынок и могут быть использованы предпринимателями. В будущем количество нано-новинок возрастет многократно, и текстильная промышленность без них не обойдется. Постоянно обновляющуюся информацию о нанотехнологических исследованиях и наноматериалах вы можете найти на сайте компании  Nanotechnology News Network.  Исследовательские работы в области нанотехнологий, которые ведутся во многих странах мира, направлены, в первую очередь, на их коммерциализацию. Так что стоит ждать в ближайшем будущем появления умной и комфортной одежды по вполне приемлемым ценам.

ПРИМЕЧАНИЯ

1 Биомиметические системы - в общем случае новые неорганические структуры (материалы), полученные в результате применения специальной стратегии так называемого воспроизводящего синтеза, который во многом подобен синтезу, осуществляемому в биологических системах, например, росту минеральных панцирей морских водорослей и животных. Открытия в области биомиметических систем готовят революционный переворот в области синтеза новых материалов. Одним из пионеров этого научного направления стал российский ученый, ведущий сотрудник НИИ катализа СО РАН Вячеслав Романников (1951-2001) - прим. ред.

2 Фотокатализ - процесс изменения скорости или возбуждения химических реакций под действием света в присутствии специальных веществ - фотокатализаторов, в частности диоксида титана. Поглощая свет фотокатализаторы  вызывают и «поддерживают» определенные химические превращения материалов, принимающих участие в этой реакции. Начиная с 1997 г. технологии, основанные на процессе фотокатализа, активно реализуются, в частности, на рынке кондиционеров и газоочистителей - прим. ред.

3 СТМ - изображение - изображение, полученное методом сканирующей туннельной микроскопии - прим. ред.

КОМПАНИИ И ТОРГОВЫЕ МАРКИ, УПОМЯНУТЫЕ В СТАТЬЕ

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ