Практическое занятие 2. Текстиль с экстремальными и специальными свойствами (2 часа)
Вопросы:
1. Термостойкие и трудногорючие волокна на основе ароматических полимеров
2. Использование наночастиц в получении волокна и колорировании.
3. Нанесение контейнеров для придания полотну экстремальных свойств.
Задание:
1. Изучить свойства, получение, требования для термостойких волокон.
2. Изучить свойства нановолокна и текстиля на его основе.
Теоретический материал для самостоятельного изучения.
1. Сфера применения сверхпрочных нитей и волокон чрезвычайно обширная. Это тяжелонагруженные текстильные материалы и изделия (тросы, канаты, ремни, ленты, ткани и др.), резинотехнические изделия (транспортерные ленты, шланги высокого давления, приводные ремни, мембраны и др.), специальные шины; средства страховки, спасения и безопасности; специальная труднопрорезаемая одежда и перчатки.
К термостойким волокнам относятся те, у которых температура сохранения функциональных свойств, а значит и длительной эксплуатации превышает 200 - 250 °С и достигает для отдельных видов 300 - 350 °С и даже выше. Термостойкими являются волокна из карбо - или гетероциклических полимеров с высокой энергией химических связей (существенно большей, чем у алифатических полимеров). Температура стеклования этих волокон выше 250 °С, они неплавкие и обладают высокой термической и термоокислительной стойкостью (температура разложения выше 400 - 500 °С).
Трудногорючие волокна характеризуются малыми значениями теплоты сгорания на воздухе (10000 - 15000 кДж/кг, недостаточными для поддержания горения (пиролиза полимера и компенсации теплопотерь). Для сравнения - теплоты сгорания обычных видов волокон составляют 18000 - 45000 кДж/кг.
Стоимость ароматических термостойких и трудногорючих волокон выше по сравнению с волокнами общего назначения, главным образом, по причине высокой стоимости исходных мономеров и полимеров. Но их применение в ряде областей оправдано эксплуатационной необходимостью или экономическими преимуществами. Наиболее дешевые среди перечисленных видов волокон поли-м-фениленизофталамидные и полиоксазольные.
Трудногорючими являются практически все полностью ароматические сверхпрочные волокна. Они имеют кислородный индекс в пределах 27 - 45% и в некоторых случаях даже выше. К трудногорючим относятся также галогенсодержащие карбоцепные волокна, например поливинилхлоридные, имеющие кислородный индекс 40 - 45%, а также волокна из сополимеров винил - и винилиденхлорида. Однако их термостойкость весьма низкая – при нагревании до температуры до 100 °С они дают усадку и размягчаются, а также выделяют токсичные продукты сгорания. «Рекордсменами» среди трудногорючих волокон являются фторуглеродные волокна, которые не горят даже в атмосфере с высоким содержанием кислорода. Из-за высокой стоимости эти волокна применяют только в особо важных случаях.
2. Нановолокна. Природные волокна, такие как растительные (хлопок, лен, пенька и др.), животные (шерсть, нат. шелк) по размеру пор (меньше 1–20 нм) являются нанопористыми материалами. Отсюда их непревзойденные потребительские (санитарно-гигиенические) свойства; они дышат, впитывают пот, быстро набухают и быстро сохнут. Этих свойств лишены синтетические волокна. Химические волокна можно производить ультратонкими, используя специальную технологию электропрядения, когда на выходе из фильеры раствор или расплав волокнообразующего полимера проходит электрическое поле. Эта технология была много лет тому назад предложена академиком Петряновым и использовалась для производства из ультратонких волокон фильтров специального назначения. Сейчас электропрядение широко используется за рубежом для производства ультратонких и нановолокон для медицины, гигиенического текстиля (прокладки, памперсы и т. д.).
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.) и потенциальными областями применения (силовые структуры, спорт, медицина, домашний текстиль, одежда). В качестве нанонаполнителей используют различные формы углерода (в том числе фуллерены), природные минералы, оксиды различных металлов (Ti, Mn, Si, Zn и др.). Нет ограничений по введению наночастиц любой природы в структуру волокон. Идет широкий поиск в этом направлении.
Колорирование, т. е. крашение и печатание (цветной рисунок) текстильных материалов по определению – нанотехнология, т. к. под действием сродства красителей к волокну и законов диффузии молекулы или ионы красителей (имеют размеры 2–3 нм) диффундируют в структуру волокон, и там происходи
т их самосборка в моно - и полиадсорбционные слои толщиной не более 2–6 нм. В некоторых случаях (класс активных красителей) окрашенное вещество вступает в химическую реакцию с функциональными группами волокон, и образует прочную ковалентную 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 без всяких окрашенных веществ (красители, пигменты). Это так называемая структурная окраска, когда тот или иной цвет возникает за счет структуры, состоящей из отверстий определенного размера и геометрии и 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. 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 случае 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. Чрезвычайно широко используются нанотехнологии для получения различных потребительских эффектов с помощью нанесения и закрепления на текстиле различных структур – контейнеров: нанокапсулы, липосомы, макроциклические химические соединения с нанополостями внутри цикла. В эти контейнеры могут быть временно помещены вещества с различными свойствами, которые сообщаются текстилю и проявляются в определенных условиях эксплуатации изделия. С помощью таких веществ можно придавать текстилю и одежде из него следующие свойства: водо - и маслоотталкивающие, пониженная горючесть, антимикробные, лечебные, хемозащитные, косметические, репелентные (отпугивание насекомых) и др.
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.
Можно и дальше перечислять настоящие достижения в производстве нанотекстиля (годовой объем производства нанотекстиля ~ 50 млрд.$, ежегодный прирост ~ 10%), а также, что следует ожидать. Но в этой области и из сказанного выше можно сделать вывод о том, что нанотекстиль – это не миф, а реальная действительность и у него богатая перспектива. Уже сегодня нановолокна, более прочные, чем стальная проволока, используются для изготовления кузовов баллидов Формулы 1, автомобилей, скутеров, оболочек ракет и ракеток, лыж и лыжных палок. Обмундирование защитное от многих видов оружия (пули, бактерии, вирусы, радиация, химические яды и т. д.) современных армий (но не нашей) изготавливаются по нанотехнологиям.
Человек давно научился защищаться от вредных (патогенных) микроорганизмов, окружающих его со всех сторон (земля, вода, воздух). Содержаться они и на коже человека, и не только вредные, и между ними существует равновесие. Издавна серебро в разных формах (ионы, металлическое) использовали как антимикробное вещество. Известны и другие антимикробные, антисептические органические, металлорганические, неорганические вещества. Все они широко и давно используются (в микро - и наноформах) при производстве чулочно-носочных изделий, нательного и постельного белья. Если эти антимикробные вещества будут в наноформе, то антимикробное действие только усилится, т. к. они будут легче проникать в клетку микроорганизмов и убивать их или прекращать их рост.
