Г. Е. Кричевский, д.т.н., профессор, засл. деятель науки РФ, академик РИА, вице-президент НОР

Введение

Автор - активный разработчик и пользователь в области использования NBIC-технологий* в производстве текстиля, одежды и в смежных областях, постарается объективно оценить успехи, проблемы, разочарования на фоне очень больших ожиданий (наука, СМИ, политика) и сомнений общества в практическом использовании NBIC-технологий. На рис.1 показано отношение общества к инновациям.

Бурное обсуждение роли NBIC-технологий и особенно нанотехнологий началось с принятия в США в 1998 году национальной программы по развитию нанонауки, нанотехнологий и наноиндустрии, утвержденной президентом Клинтоном (NNI). США без всяких оговорок является и сегодня безусловным лидером во всех инновационных технологиях, в том числе NBIC-технологиях. Практически все развитые и развивающиеся страны (Япония, ЕС, Индия, Китай и др.) с небольшим отставанием приняли подобные национальные программы. С нескольким большим опозданием в 2007 году Россия тоже на президентском уровне приняла национальную программу по развитию нанотехнологий, была создана специализированная организация РОСНАНО по этой проблеме с единовременным вложением многих миллиардов рублей.

Поскольку нанотехнология, как междисциплинарная область знаний и практик может развиваться только с био-, инфо-, когнитивными технологиями, то возник научно-технологический кластер NBIC-технологий, определяющий уровень развития мира и стран в 21-ом веке (6-ой технологический уклад). [1-4]

Ожидания от внедрения NBIC-технологий в науку, технику, повседневную жизнь человека в конце прошлого века были грандиозными. Были написаны сотни монографий, учебников, десятки тысяч статей, созданы специальные институты, открыты кафедры, факультеты в различных странах.

Общие успехи, безусловно, реально присутствуют и характеризуются не только значительными государственными и внебюджетными ассигнованиями, в некоторых случаях (РФ) значительно превышающими товарооборот продукции, произведенной по NBIC-технологиям**, но и широчайшим фронтом областей использования этих технологий, охватывающих почти все области науки и техники и повседневной жизни человека 21-ого века. На рис. 2 показана динамика роста нанопродукции в мире.

*NBIC – нано-, био-, информационные и когнитивные технологии.

** Абсолютно точный расчет произвести нельзя, т.к. что считать такой продукцией не определено. Но об это позже.

Однако, эти успехи все же больше на количественном, чем на качественном уровне. Мир под воздействием NBIC-технологий, конечно, изменился существенно, но не до неузнаваемости, как представляли отцы-основатели нанотехнологий (Фейнман, Дрекслер и др.). Мы хорошо из жизненного опыта знаем, что разочарования – это квадратичная функция очарования. И все же не следует очень разочаровываться. Конечно, успехи имеются, проблем множество, разочарований тоже. Попробуем со всем этим разобраться применительно к производству текстиля в широком смысле, которое является весьма сомнительной областью приложения NBIC-технологий.

Экономика производства текстиля по инновационным NBIC-технологиям. Классификация нанотехнологий.

Производство и потребление текстиля (волокна, ткани, трикотаж, нетканые материалы) в мире не снижается, не смотря ни на какие кризисы, а увеличивается симбатно увеличению народонаселения планеты. При этом существенно меняется география массового производства (Китай, Турция, Индия) и в меньшей степени основного потребления (Европа, США, Япония, Россия). Качественно изменился ассортимент текстиля (технический, медицинский, армейский, спортивный текстиль). Новое поколение волокон сдвинулось в сторону технического текстиля (более 35%).

Роль NBIC-технологий, и особенно нанотехнологий, в производстве всех видов текстиля возрастает. Наиболее заметно это в производстве технического текстиля, армейского, медицинского, защитного.

Трудность точного подсчета продукции, произведенной по NBIC-технологиям, заключается в отсутствии четких определений, что значит продукция, произведенная по NBIC-технологиям. Первые попытки сделаны только по отношению к нанотехнологиям, но все данные по производству нанопродукции носят не абсолютный, а оценочный характер. Хотя и эти цифры говорят о безусловной динамике роста производства и потребления этой продукции во всех областях науки и техники в мире и в большинстве ведущих стран. Безусловным лидером является США. [1, 2, 5, 6]

На рисунке 1 показан потенциальный мировой рынок нанопродукции, который к 2015 году по прогнозам составит 1,1 триллион DS. Как можно видеть, наибольший вклад вносят такие нанопродукты, как материалы (28%), электроника (28%) и фармацевтика (17%). [1]

На рисунке 2 показана реальная динамика и перспектива доли нанотехнологий в мировой экономике до 2030 года. Если в 2015 году нанотехнология и ее продукция составит ~ 15% мирового ВВП, то в 2030 году будет уже 40%. [1]

На рисунке 3 показана динамика зарегистрированных в мире патентов по нанотехнологиям. С 1900 года по 2005 год количество патентов выросло в 30 раз. При этом ~ 50% патентов приходится на США. [1]

Рис.1.

Рис. 2.

Рис. 3.

Рис. 4.

На этом рынке патентов большая часть приходится на наноматериалы (38%) и наноэлектронику (~25%) и нанобиотехнологию (~13%).

Интересна мировая структура распределения компаний, занимающихся нанотехнологиями и нанопродуктами по странам (рис.4). [1]

И на этом рисунке видна доминирующая роль США, которой в разы уступают другие развитые страны.

В России к 2010 году зарегистрировано 200 зарубежных патентов и только 30 российских, что означает, что наш внутренний рынок нанопродукции легально завоевывается импортной нанопродукцией, как это произошло с рынком лекарств, автомобилей, ауди- и видеотехники, текстиля, одежды и др. В период 2009-2015 гг. нанотехнологии будут развиваться с годовым приростом 11%, в том числе наноматериалы с 9,027 млрд. DS до 19,6 мдлр. DS с годовым приростом 14,7%, наноинструменты с 2,613 млрд. DS до 6,8 млрд.DS.

Объем рынка товаров, произведенных с помощью нанотехнологий, растет в период 2010-2013 гг. с годовым приростом 49% и составит через 4 года – 1,6 трлн. DS.

Мировые инвестиции в нанотехнологии с 2000 по 2006 год увеличились в ~ 7 раз; первое место по этому показателю занимает США (~ 1,4 млрд. DS), Япония (~ 10 млрд. DS), ЕС (12 млрд. DS), весь остальной мир (12 млрд. DS).

Место России в мировой экономике наноиндустрии

Следует иметь в виду, что Россия начала выстраивать наноиндутрию, развивать нанотехнологии при участии государства на 7-10 лет позже, чем страны - лидеры этого направления (США, ЕС, Япония, Китай, Индия). С учетом этого и следует посмотреть на ниже приведенные статистические данные:

- доля РФ в общемировом технологическом секторе составляет 0,3%;

- доля РФ на мировом рынке нанотехнологий 0,004%;

- к 2008 году зарегистрировано 30 патентов по нанотехнологии, т.е. 0,2% от общего числа патентов в мире;

- наиболее развито в РФ производство приборов для анализа наноструктур (современные микроскопы); [7]

- производимые наноматериалы на 95% в РФ используются не в промышленности, а для научных исследований;

- среди производимых наноматериалов основную долю составляют нанопорошки (самая простая нанотехнология), в РФ производят 0,003% нанопорошков от мирового производства;

- нанопорошки в РФ – это, в основном, оксиды металлов (титан, алюминий, цирконий, церий, никель, медь), которые составляют 85% от всех нанопорошков;

- углеродные нанотрубки в РФ производятся только в опытных партиях;

Реальный вклад нанотехнологий в мировую экономику иллюстрируют следующие цифры. В 2009 году в мире было произведено 1015 продуктов по реальным нанотехнологиям. Инвестиции в период 2006-2009 гг. возросли на 379% - с 212 наименований нанопродукции до 1015. Нанотекстиль (115 продуктов) занимает весомое место (~10%). Как и по другим интегральным показателям, лидирующее место за США (540 видов нанопродукции ~ 50%), юго-восточная Азия (240), ЕС (154). Россия в этих, как и в других, статистических данных по нанотехнологиям не упоминается.

Из нанопродуктов коллоидное наносеребро в различных видах (259 продуктов ~22%) занимает ведущее место, углеродные (в том числе фуллерены) – 82 продукта, двуокись титана – 50 продуктов.

Фуллеренов в настоящее время производятся в мире ~ 500 тонн в год, одностенных и многостенных углеродных нанотрубок ~ 100 тонн в год, наночастиц кремния – 100000 тонн в год, наночастиц двуокиси титана ~ 5000 тонн в год, наночастиц двуокиси цинка 20 тонн в год. [1]

Мировая экономика текстиля и одежды (краткая справка)

Перейдем от экономики нанотехнологий в мире к экономике текстильной и легкой промышленности, начав с общей конъюнктуры производства продукции этих отраслей, включая и производство волокон, без которых текстиль и многое другое не могут быть произведены.

Производство природных и химических волокон, текстиля, всех видов и изделий из него традиционного и технического назначения является одним из основных секторов мировой экономики, занимая постоянно место не ниже 5-ого в пуле самых необходимых для человека и для техники (она тоже для человека) по валовому обороту, опережая мировой автопром, фармацевтику, туризм и вооружение. [2]

Это общая картина, но структура (география, ассортимент), сегменты производства и потребления волокон, текстиля и изделий из него существенно изменились:

- производство традиционного массового текстиля, волокон, одежды, обуви переместилось в развивающиеся страны с дешевой рабочей силой и мягкими требованиями к экологии и условиям труда, мировым лидером (мировым сапожником и портным) стал Китай;

- производство инновационной продукции с высокой добавленной стоимостью осталось и возросло в развитых странах;

- существенно возросло производство волокон, используемых для производства домашнего, технического, медицинского и спортивного текстиля и соответственно эти секторы экономики текстиля заняли важное место в общем ассортименте;

- значительная часть химических волокон, текстиля и одежды производится с использованием нано-, био- и информационных технологий, особенно в случае «умного», интерактивного, многофункционального текстиля, прежде всего, для защитной одежды в широком смысле слова;

- наиболее динамически развивающимся видом текстиля стали нетканые материалы, производимые по разным (механическим, химическим) технологиям.

Наиболее развитые сегменты текстиля и структура ассортимента на 2008 год – Европа (ЕС): одежда 37%, домашний текстиль 33%, технический текстиль 30%.

Технический текстиль в мире прибавляет в год ~ 10-15%, а нетканые материалы растут на 30%.

В Германии технический текстиль в общем производстве текстиля составляет 45%, во Франции 30%, в Англии 12%.

ЕС остается одним из мировых лидеров по производству и экспорту текстиля, в 2008 году в ЕС произведено текстиля на 203 млрд. DS, в этом секторе экономики работает 2,3 млн. человек в 145000 компаний (средняя численность на предприятии ~16 человек); было произведено текстильной продукции на 211 млрд. DS при инвестиции в 5 млрд. DS.

Продолжается тенденция увеличения доли химических волокон и уменьшение доли природных: 2007 г. – химических волокон 65%, 2006 г – 62%. Производство химических волокон перемещается из США и Европы в развивающиеся страны.

В 1990 году Западная Европа и США производили 40% всех химических волокон, а в 2007 году только 12%. Напротив Китай в 1990 году производил химических волокон только 8,7%, а в 2007 году – 55,8% от мирового производства, т.е. стал мировым лидером. В целом мировое производство текстиля растет: в 2007 году было произведено текстиля на 4000 млрд. DS, а в 2012 году – на 5000 млрд. DS.

Мировое производство нанотекстиля

2010 г. – «умного» нанотекстиля, произведено на 1,13 млрд. DS.

Технический нанотекстиль: 2007 г. – 13,6 млрд. DS, 2012 г. - 115 млрд. DS.

Медтекстиль – значительная часть производится по нанотехнологиям.

Мировое производство медтекстиля в 2007 году в денежном выражении составило 8 млрд. DS. На рисунке 5 показана динамика роста производства медтекстиля в мире по годам (1995-2010 гг.).

Рис. 5.

Значительное место в общем ассортименте текстиля занимает текстиль в изделиях для спорта и отдыха. В 2008 году такой текстиль составил 10% от всего текстиля, произведенного в ЕС. Лидером в этом секторе экономики является фирма Nike, выпустившая спортивного текстиля в 2008 году на 18,6 млрд. DS.

Рынок одежды со встроенными наноэлектронными устройствами в 2008 году составил 600 млн. DS.

Как видно из представленных данных не отстает от общих мировых тенденций использования нанотехнологий и текстильная промышленность.

Для понимания приведенных данных по экономике производства нанотекстиля следует разделить эту продукцию на две (к сожалению) неравные части, при том, что доля каждой не приводится:

– Текстиль, произведённый по нанотехнологии, как ей дано научное определение во многих источниках. Это значит произведенный по двум принципам: «сверху вниз» или «снизу вверх», т.е. дроблением субстрата (в широком смысле) до наноразмеров и формирование из наночастиц объемного нанопродукта или самосборка из наночастиц объемного нанопродукта. В обоих случаях определение подразумевает, безусловно, строго организованную из наночастиц структуру нанопродукта и появление новых или существенное улучшение свойств материала [1]. Под такие рафинированные требования попадает очень малая часть текстильных материалов, как нанопродукты. Такая же ситуация во многих областях науки и техники. Исключением, пожалуй, является область электроники, т.е. наноэлектроника, откуда и берут начало нанотехнологии.

– Текстиль, произведенный с использованием готовых наночастиц, предварительно полученных по нанотехнологии, т.е. «сверху вниз» или «снизу вверх». Таких текстильных технологий и нанопродуктов достаточно много.

В дальнейшем при изложении роли нанотехнологий в производстве текстиля мы будем указывать, к какому типу из двух относится эта продукция. Для потребителя не имеет значения принципы получения продукта – важны его качества, новые функции, безопасность.

Виды нанотекстиля и области его использования

Рассмотрим использование NBIC-технологий в производстве текстиля по его основным видам, фазам производства и областям использования.

Производство волокон

- Волокна наноразмерные по диаметру можно производить как по технологиям «снизу вверх» (самосборка) и «сверху вниз» расщеплением струи полимера (волокнообразующего) в электрическом поле. Последняя технология реализуется под укоренившемся названием «электроформование» (англ. Electrospinning) и осуществляется на оборудовании различных конструкций и фирм. Технология универсальная по возможности использования волокнообразующих полимеров (природных, искусственных, синтетических). Требование одно – возможность растворения и расплавления полимера без его деструкции. Собственно говоря – это те же требования, что предъявляются к полимерам при производстве химических волокон традиционными фильерными способами [1,2]. Эти технологии пока еще не вышли на уровень многотоннажного производства (дорого), но набирают обороты. Основная область использования таких нановолокон из полимеров различной природы – это медицина, элементы защитной одежды, фильтровальные материалы и другие направления технического текстиля.

- Волокна, наполненные наночастицами различной химической природы, размерами и формы. Это второй тип нанопродуктов. Производят эти волокна по традиционной технологии, вводя наночастицы в раствор или расплав полимера для формования. В зависимости от природы введенных в волокно наночастиц они приобретают новые (электропроводимость, фотоактивность, биоактивность и др.) или улучшенные исходные свойства (механическая прочность). Такие волокна по существу являются композитными, свойства которых зависят от свойств матрицы и нанонаполнителя. Эти технологии еще далеки по объему производства от волокон, производимых по традиционным технологиям. Их производство дорогое и сопряжено с проблемами совместимости наночастиц с матрицей полимера. Возникают проблемы реологии растворов и расплавов при прядении, агрегативная устойчивость прядильных растворов и др. Эти технологии находятся на стадии совершенствования, удешевления, повышения технологичности. Области применения композитных волокон, наполненных наночастицами обширные: новое поколение сверхлегких, сверхпрочных конструкционных композитов для транспорта всех видов, защитная многофункциональная одежда, спортивный текстиль медицинский текстиль.

Биотехнологии в производстве нового поколения волокон

- Генная модификация природных волокон. В США фирма «Монсанта» разработала технологию выращивания генномодифицированного хлопка, обладающего на 30-40% более высокой механической прочностью, чем природный хлопок высокого качества. Широкое распространение этот генномодифицированный хлопок пока не получил [1]. Генномодифицированный хлопок используют в изделиях из текстиля, к которым предъявляются повышенные требования (механическая прочность). Например, к верхней одежде из хлопка, которой придается малосминаемость с помощью сшивающих препаратов. В этом случае теряется до 20% прочности изделия на разрыв и истирание. Генномодифицированный высокопрочный хлопок компенсирует эту потерю.

- Генномодифицированный паучий шелк, превосходящий по прочности все природные и химические волокна (прочность выше, чем у стальной проволоки той же толщины), произведен по следующей схеме. Известно, что паучий шелк является очень прочным, так его задумала и создала природа для поимки, пленения паучьих жертв, вес которых превосходит вес паутины. Шелк тутового шелкопряда не отличается такой высокой прочностью, поскольку природа предопределила ему другую функцию (строительный материал для кокона – домика для гусеницы). По химическому составу фиброин шелка тутового шелкопряда и паучьего шелка – это белки, имеющие близкую, но различную первичную (набор аминокислот), вторичную (геометрия макромолекулы белка) и третичную (характер взаимодействия макромолекул белка) структуры, что и определяет различную механическую прочность [1]. Биологи изучили структуру генома паучьего шелка, встроили в аппарат наследственности производства белка идентичного паучьему шелку тутовому шелкопряду, козам, дрожжам и микроорганизмам определенного вида. Лучшие результаты были достигнуты в последнем случае и на нем остановились. Этот микробиологический генномодифицированный белок был использован для производства белкового волокна «аля паучий шелк». Это волокно, превосходящее по прочности все природные и химические волокна, начинает использоваться в тех областях, где требуются материалы легкие и очень прочные: бронежилеты, спецканаты, имплантаты в медицине. Поскольку стоимость такого волокна очень высокая, то оно пока находит применение в очень ограниченном объеме.

- Волокна на основе полимолочной кислоты – полилактидное волокно получают по сложной технологии, состоящей их биотехнологической фазы и последующей традиционной химической технологии. Из природных материалов, содержащих полисахариды (кукуруза, картофель), получают глюкозу и молочную кислоту путем кисломолочного брожения. Затем из нее получают лактид, затем полилактид. Из последнего по традиционной химической технологии получают полилактидное волокно. Оно по химическому строению является полиэфиром. Из всех перечисленных видов волокон, полученных по нано- и биотехнологиям, полилактидное волокно заняло небольшое (на уровне нескольких процентов) место среди волокон нового поколения и используется, прежде всего, в медицине (имплантаты). Если говорить обо всех этих волокнах и технологиях, то общим для них является то, что сырьем не является углеводороды (нефть, газ), что, безусловно, делает их весьма перспективными. Но для них всех необходимо дальнейшее совершенствование технологии с целью снижения себестоимости и повышение их конкурентоспособности с природными волокнами и химическими на основе углеводородов.

Области назначения нанотекстиля различного вида и нанотехнологии, используемые для этого

После завершения части о нановолокнах рассмотрим основные виды изделий из волокон.

Композиты

Без волокон невозможно произвести ни один вид текстиля (ткань, трикотаж, нетканые материалы). Но традиционные и нановолокна также широко используют во многих видах композиционных материалов, где в качестве матрицы используют широкий круг полимеров, а наполнителями выступают различные виды материалов в измельченной форме (от микро- до наноразмеров), в том числе природные, химические, наноразмерные. Последние обеспечивают большую прочность композитов за счет существенного увеличения внешней поверхности и как следствие большая возможность проявления межмолекулярных сил сцепления между частицами наполнителя и макромолекулами матрицы. Производство композитов в мире является одним из наиболее динамично развивающихся видов материалов, в которых находятся различные нано- и большего размера частицы. В связи с этим, развитие этого направления практического материаловедения потянет, и уже тянет, как локомотив, развитие химии и физики полимеров, нанотехнологий производства наполнителей для композитов, в том числе, наночастиц различных форм углерода (углеродные волокна, углеродные трубки и др.). Наиболее ярко проявляется растущая роль композитов в аэро- и космической областях. Новое поколение сверхлегких и прочных композитов позволяет существенно снизить вес современного самолета и ракеты. Современный транспорт (авто-, речной, морской, аэрокосмический) состоит из большой доли композитов на основе текстиля и полимеров. Так, современный пассажирский самолет на 50% состоит из композитов, военный истребитель на 60%, в автомобиле используют композитов примерно на 10-15 кг. Совершенствование композитов идет по пути использования текстиля (3D) из сверхпрочных волокон нового поколения (в том числе нановолокон). На рис.6 показана доля композитов в конструкции самолета.[2]

Рис. 6. Доля композитов в конструкции самолета

Защитный текстиль и одежда

Это вид изделий находит очень широкое применение в промышленности (защитная одежда работников опасных и вредных предприятий, силовых структур, спасатели, пожарники, медработники, спортсмены, одежда для отдыха, туризм, экстремальные виды спорта).

В этих областях наибольшие успехи достигнуты в значительной мере за счет использования NBIС-технологий. Но эти прорывные технологии могут и дают хорошие результаты только совместно с традиционными механическими (прядение, ткачество) и химическими технологиями.

Более того многие потребительские свойства защитному текстилю могут быть сообщены с помощью традиционных методов химической технологии, без NBIС-технологий.

В зависимости от области применения защитного текстиля и одежды набор свойств (функций), которыми они должны обладать, может отличаться, но достаточно часто определенные свойства являются общими для материалов и защитной одежды различного назначения.

Основные свойства, которые необходимо придать большинству видов защитной одежды:

- водо- и маслоотталкивающие;

- огнестойкость (огнезащищенность);

- антимикробные.

Дополнительные свойства, которые сообщают текстилю и защитной одежде в зависимости от их назначения:

- защита от вредных токсичных веществ в твердой, жидкой и газообрзаной форме;

- защита от различных видов радиации (γ, α, β, УФ) и радиоактивных частиц;

- защита от пуль, осколков снарядов, взрывной волны;

- защита от обнаружения людей и техники в дневное и ночное время (маскировка);

- беспроводная связь (коммуникации) с внешним миром.

Для армейского, спортивного, медицинского текстиля дополнительным свойством является диагностика состояния организма и первая медицинская помощь, а том числе дистанционно.

Придание всех этих свойств защитному текстилю и одежде достигается комбинацией NBIC и традиционных химических технологий.

Разберем последовательно принципы придание всех перечисленных свойств текстилю и одежде.

Водо- (гидро) и масло- (олео) отталкивающие свойства

Эти свойства являются ярким примером того, что они могут и издавна достигались традиционными химико-технологическими приемами нанесения и закрепления на текстиле гидро- и олеофобных веществ. [1, 2]

С развитием нано- и биотехнологий и, особенно, бионики (биомиметики) в производство текстиля и других материалов, поверхности которых необходимо придавать гидро- и олеофобность, пришли новые технологии. Эти технологии основаны на том, как природа (растительный и животный мир) решает эту проблему.

Изучение этого вопроса биологами, ботаниками, химиками, материаловедами, нанотехнологами показало, что в природе эти свойства придаются растениям и животным с помощью формирования на поверхности тонкого слоя гидрофобного вещества (в основном – жирные высшие кислоты: стеариновая, пальмитиновая).

Но это не только гидрофобная пленка. Она, что чрезвычайно важно, имеет наношероховатую поверхность. Поэтому капли воды не могут удержаться на такой поверхности и легко скатываются с поверхности при небольшом наклоне, встряхивании и т.д.

Идеальной гидро- и олеофобной поверхностью обладает поверхность лепестков лотоса. Лотос в древнеегипетской мифологии считается идеалом чистоты. С него вместе с каплями воды смываются все загрязнения, даже жирового характера. Исследователи назвали этот эффект супергидрофобности – эффектом «лотоса», и этот бренд закрепился и за технологиями, использующими этот принцип. Принцип этот сочетает специальное гидрофобное химическое строение вещества поверхностной пленки и её наношероховатую поверхность. Следует сказать, что поверхность практически всех растений и многих животных с волосяным покрытием в большей или меньшей степени обладают гидрофобными свойствами (в том числе поверхность хлопкового волокна).

На рис. 7 показана схема формирования капли воды на гидрофобной поверхности и способность самоочищаться этой поверхности.

Рис. 7.

После открытия и изучения механизма эффекта «лотоса» ученые буквально бросились воспроизводить эту биотехнологию на различных материалах, в том числе и на текстиле [1].

Были использованы различные гидро- и олефобизаторы, но при этом использовали приемы формирования на поверхности наношероховатой пленки гидрофобизатора. За счет этого достигается высокий уровень гидрофобности, более высокий, чем просто использование гидрофобизаторов по классической технологии. [1, 2]

Текстильные материалы, полученные по этой технологии, производят многие зарубежные компании с использованием слов «супергидрофобные» и с эффектом «лотос». Такие технологии находят применение в случае необходимости получения действительно гидрофобного эффекта высокого уровня (защитная одежда, армейская, медицинского персонала, нефтеперерабатывающей промышленности и др.).

Пока технология «лотос» заменила классическую химическую технологию в неполной мере, поскольку соотношение цена/качество не в пользу новой технологии. В дополнение к гидрофобности и олеофобности можно сообщить текстилю способность самоочищаться от грязи. Для этого используют наночастицы двуокиси титана TiO₂.

Последняя, именно в форме наночастиц, обладает высокой фотоактивностью. Поглощая УФ лучи молекулы TiO₂, переходя в высоко энергетическое фотовозбужденное состояние, передают свою энергию на соседние молекулы и генерируют высоко энергетический синглетный кислород и радикалы. Последние разрушают загрязнения на поверхности. Эта технология сочетает в себе и наноэффект и принципы фотоники. [1, 8, 9]

Огнестойкость (огнезащищенность)

Подавляющая часть текстиля производится из волокон на основе органических полимеров, поэтому они все способны гореть с разной скоростью, сгорая полностью сразу или сначала расплавляясь.

Теплофизический механизм горения текстильных материалов общий с другими видами в разной степени горючих материалов. Этот механизм включает в себя подвод к материалу источника горения и наличия кислорода, нагрев до температуры воспламенения (характерная для данного материала и условий горения), пиролиз (терморазложение) материала с выделением газообразных продуктов горения. Устойчивое горение поддерживается, если теплота сгорания выше уноса теплоты. Общий химизм процесса горения органических материалов – это радикально-цепные реакции, протекающие при высокой температуре (термоокислительная деструкция). Каждый волокнообразующий полимер и волокно на его основе имеют специфику химизма горения [2].

Исходя из теплофизики и химизма горения, ингибиторы горения (антипирены) должны оказывать тормозящее влияние на стадию пиролиза, обрывать радикально-цепные реакции, связывать горючие продукты сгорания.

В качестве антипиренов используют неорганические в комбинации с азотосодержащими веществами. Существует множество промышленно выпускаемых антипиренов с большей или меньшей ингибирующей способностью. Нанесение и фиксацию на текстиле этих препаратов проводят по классической технологии: пропитка, сушка, термообработка.

Стабильный эффект огнезащиты текстиля достигается, если антипирен вступает в химическую связь с полимером волокна или закрепляется с помощью связующих полимерных композиций.

Антимикробные свойства

Антимикробные свойства необходимо сообщать текстилю, используемому в очень большом числе областей:

- одежда медперсонала и больных;

- больничное постельное белье;

- защитная одежда армейского контингента;

- защитная одежда, белье, носки рабочих горячих цехов и других профессий тяжелого физического труда;

- спортивный текстиль;

- текстиль, используемый при принятии водных процедур;

- раневые покрытия, имплантаты.

Общий подход для придания текстилю антимикробных свойств основан на приостановлении роста вредных для человека патогенных микроорганизмов или полное их уничтожение. Этот принцип реализуется путем использования биоцидных препаратов широкого спектра химического строения, способных проникать через мембрану в клетку микроорганизма и разрушать там молекулярный аппарат (ДНК, РНК) воспроизводства микроорганизмов. При этом желательно чтобы биоциды были селективного действия, только не патогенные микроорганизмы [1, 10].

Традиционные технологии придания антимикробных свойств текстилю и изделиям из текстиля заключается в пропитке, сушке и фиксации биоцида химической связью или с помощью связующего (полимерная композиция).

В последние годы активно внедряют нанотехнологии, правильнее сказать, использование коллоидных растворов биоцидов и, прежде всего, наночастиц серебра, закрепляя их на текстиле традиционными способами [1, 2].

Серебро с давних времен известно, как вещество, предотвращающее цветение воды (подавляет рост микроорганизмов). Использование серебра в форме наночастиц усиливает его антимикробную активность. Точный механизм антимикробного действия серебра до конца не изучен. В общем виде его можно сформулировать следующим образом: катионы серебра взаимодействуют с отрицательно заряженной поверхностью клетки организма, проникают через мембрану внутри клетки, где проявляют окислительно-восстановительные свойства, разрушая основные элементы клетки микроорганизма. Ценным свойством серебра, как биоцида, является его способность подавлять рост микроорганизмов, действуя на клеточном уровне и не взаимодействовать с клетками животных [1].

Интересный вариант использования нанотехнологии для достижения антимикробного эффекта: биоциды заключаются в наноразмерные контейнеры (циклодекстрин, липосомы – везикулы). В случае везикул, патогенные бактерии, имеющие сродство к везикулам, атакуют их, дырявят мембрану везикулы и из нее высвобождаются молекулы или наночастицы биоцида [1].

И как во всех предыдущих технологиях придания текстилю защитных свойств здесь используют преимущественно традиционные химические технологии. Однако, использование наночастиц серебра, а в ряде случаев других металлов переменной валентности (цинк, титан, медь), набирает обороты.

Использование серебра, как биоцида, обусловлено не только научными и технологическими факторами, но и рекламным продвижением: использовать материалы с содержанием серебра стало модным.

Защита от вредных токсичных химических биологических веществ

Опасности, связанные с действием на человека вредных химических веществ, наиболее сложные и разнообразные из всех опасностей со стороны внешней среды (исключая опасности, исходящие от самого человека). В мире используются более 100000 оригинальных химических веществ, подавляющая часть которых дело рук человека (синтез), и число их только увеличивается.

С химическими веществами человек контактирует (без контакта нет риска) при их синтезе, изучении, производстве и применении (профессиональная деятельность). В обычной жизни человек контактирует с вредными веществами только в нештатной ситуации (техногенная катастрофа, война, терроризм, природный катаклизм).

Опасными, вредными веществами для человека, как правило, являются самим же человеком синтезируемые, а природные вещества напротив – дружественны (за редким исключением) человеку.

При создании защитной одежды от вредных веществ необходимо учитывать следующие факторы:

- уровень риска, концентрация вещества, время воздействия, токсичность, агрегатное состояние (газ, жидкость, твердые частицы). В зависимости от этих факторов и области использования защитной одежды (армия, индустрия, пожарники, спасатели) формируются требования к ней. Опасности и риски вредного воздействия токсичных химических и биологических веществ на человека и на живую природу в последнее время сильно выросли в связи с интенсификацией антропогенной деятельности человека (химическая и микробиологическая промышленность), угрозой химического терроризма, ростом технических и природных катаклизмов, возможных и реальных войн и конфликтов. Одним из многочисленных методов защиты человека от химических и биологических вредных веществ является специальная защитная одежда, имеющая сложную конструкцию, где специальный текстиль играет главную роль. Поэтому для выбора и производства эффективного защитного текстиля необходимо понять, как могут с текстилем взаимодействовать вредные химические вещества (о биологических особый разговор);

- химическая деструкция полимера волокна;

- проникновение (жидкость, газ) в структуру текстиля за счет смачивания или давления, а, следовательно, опасный контакт с кожей человека;

- молекулярная диффузия сквозь полимер волокна;

- химическая реакция с полимером волокна.

Чаще всего эти явления происходят в комбинации друг с другом, при этом лимитирующей стадией и явлением рассматривается молекулярная диффузия токсичных веществ через полимер волокна. Следовательно, и эффективная защита с помощью текстиля может быть достигнута при прочих возможностях за счет торможения молекулярной диффузии.

Основные факторы, влияющие на защитные свойства текстиля от вредных веществ: химическое строение волокнообразующего полимера, физическая структура волокон, тип текстиля (ткань, трикотаж, нетканка), плотность пряжи, плотность переплетения и вид заключительной отделки и покрытия, природа аппрета, его плотность, пористость (пленка, пена, ламинат и др.).

Существует два вида защитной одежды от вредных веществ [2, 5, 6]:

- Одежда на основе текстиля, непроницаемая для токсичных веществ в любой агрегатной форме (газ, жидкость, твердое). Эта непроницаемость достигается покрытием, ламинированием – образованием непроницаемого слоя полимера: резина природная и синтетическая, ПВХ. Такая защитная одежда «не дышит» и в ней долго находиться нельзя.

- Одежда из селективно проницаемого текстиля, который «фильтрует» молекулы большого размера, поскольку его нанопоры имеют размер меньше этих молекул, но пропускают воздух и пары воды (пот), т.е. это дышащая одежда. Молекулы вредного газа, способные проникать в текстильную структуру, сорбируются (иммобилизуются) полимером волокна, для чего используют волокнообразующий полимер определенного химического строения. Дополнительно в текстильную структуру вводят частицы наноразмера, сорбирующие токсичный газ и жидкость.

Защита от биологически вредных веществ (бактериологическая атака, инфекции) достигается с помощью спецодежды с водоотталкивающими и антимикробными (специальные препараты) свойствами. Такая одежда тоже должна «дышать», что достигается формированием на поверхности (покрытие, ламинат) мембранного слоя с нанопористой структурой (воздух и пот пропускают, а бактерии нет – фильтрует и убивает).

Американские ученые успешно работают над созданием боевого комплекта одежды солдата, защищающего от токсичных химических, биологических веществ (химическая и биологическая атака). При этом соблюдают требования малого веса комплекта, защиту от перегрева, устойчивость эффекта, способность самоочищаться (дезактивироваться). Архитектура такого комплекта многослойная: наружный (лицевой) слой из специального текстиля, внутренний – это реактивная мембрана, абсорбционный и последний слой к телу обеспечивает комфортные условия.

Внешний слой текстиля (ткань) изготавливают из специальных волокон с высокой капиллярной способностью и с включением катализаторов для обезвреживания токсичных отравляющих веществ широкого спектра действия. В качестве катализаторов используют специальный набор ферментов. Внутренняя мембрана заполнена наночастицами оксидов металлов. В нано- и микропорах мембраны застревают биологические отравляющие организмы. Активированный уголь, углерод в форме наночастиц входят в структуру этой защитной одежды.

Защита от различных видов радиации (α-, β-, γ-, УФ)

Защита человека от α-, β-, γ- излучения необходима для работников атомных электростанций, ликвидаторов аварий на этих станциях и на случай ядерной войны всем попадающим в зону ядерного взрыва. Эта ситуация реально существовала при аварии на Чернобыльской АЭС и на Факусиме.

От α-, β- излучений хорошо защищают костюмы из плотной многослойной ткани с ламинированием внешнего слоя. От γ- излучения, имеющего высокую проникающую способность, защититься полностью нельзя, но защитная одежда с многослойной тканью защищает от радиоактивной пыли, излучающей все виды радиации.

Использование многослойного текстиля из нановолокон повышает эффект защиты от α-, β-, γ- радиации.

Костюм космонавта (NASA) для выхода в открытый космос состоит из 14 слоев, последние 13-ый и 14-ый слои представляют собой комбинацию из мембранных (нанопоры) слоев из арамидных волокон. Такой костюм по данным NASA якобы защищает от всех видов радиации, имеющей в открытом космосе. На рис. 8 показан костюм космонавта для выхода в открытый космос и его многослойность. Этот костюм является, безусловно, самым высоким достижением инженерного решения защиты человека в экстремальных условиях.

Рис. 8.

NASA совместно с другими структурами, работающими по направлению космических исследований, по их данным создали новый вид полимерного материала, устойчивого к α-, β-, γ- радиации.

Защита от УФ-лучей - проблема профилактики онкологических заболеваний (рак кожи) в регионах повышенной дозы УФ-лучей в солнечном спектре (Африка, Южные штаты США, Юго-Восточная Азия, Австралия). Защита может быть достигнута с помощью текстиля из волокон определенного химического строения, пряжи и ткани высокой плотности с окраской определенной интенсивности.

Защита человека от пуль, осколков, взрывных волн, колющих и режущих предметов

Защита тела (всего и по частям) человека от механических предметов, движущихся с относительно высокой скоростью, весьма сложная задача, в решении которой нуждаются в первую очередь армейский контингент, а также полиция, спортсмены и др. К этой группе риска относятся мотоциклисты, пилоты гоночных машин. Решение этой задачи лежит в плоскости эффективного погашения (диссипации) энергии, приходящейся на определенные участки тела. Такая защита может быть в большей или меньшей степени обеспечена специальной защитной одеждой.

Наиболее актуально проблема защиты от всех перечисленных выше воздействий для армейского состава во время боевых действий.

По армейской классификации защита тела от опасных предметов (пули, осколки, ножи и т.д.) делится на мягкую и жесткую. Обычно такой вид защиты называют пуленепробиваемым жилетом, хотя он способен защищать не только от пуль. Не существует абсолютно не пробиваемых жилетов. Правильнее говорить о большей или меньшей их проницаемости.

Бронежилет должен не только защищать, но и быть достаточно легким, гибким, удобным в носке, вписываться в общий боевой комплект.

Мягкий защитный жилет. Основная часть такого жилета – текстиль из высокопрочных волокон нового поколения (ароматические полиамиды, высокомолекулярный полиэтилен). В случае жесткого жилета в его структуру монтируются керамические наноструктурные пластины.

Маскировка (камуфляж) в любое время суток и в любой местности [1, 2, 5, 6]

Задача ставилась и ставится военными во все времена. В настоящее время эту проблему следует разделить на два направления:

- маскировка в дневное время;

- маскировка в ночное время.

Способы решения этих двух задач принципиально разные.

Маскировка в дневное время очень старая проблема с древних времени, когда охотники за дикими животными старались быть для них невидимками, уподоблялись приемам природной мимикрии, старались слиться с окраской и рисунком живой природы. Для этого использовали раскрас тела или подножную растительность. Такой способ маскировки применялся и в случае необходимости скрыться от двуногих врагов.

Сейчас этот примитивный способ маскировки заложен в армейский камуфляж.

Однако, современная армия США и НАТО пошли дальше и взяли на вооружение принцип «хамелеон», т.е. используют модифицированный механизм природной мимикрии хамелеона, способного при необходимости изменять окраску и рисунок, полностью сливаясь с окружающей природой. Для этого используют специальные хромные красители, изменяющие цвет под воздействием температуры, электрического и магнитного поля, рН среды, УФ лучей и других импульсов.

Текстильный материал, окрашенный хромными красителями и в который встроена система управления цветом хромных красителей, будет изменять свою окраску и рисунок в соответствии с окружающей средой (лес, луг, пустыня и др.).

Задача, решенная для защиты солдат, перенесена на мирные условия (двойные технологии): модная одежда, портьеры, занавесы, обои с эффектом «хамелеон».

Маскировка в ночное время возникла сравнительно недавно, в середине 20-ого века, как ответ на появившиеся способы идентификации (приборы ночного видения) людей и техники ночью с помощью приборов, основанных на детекции ИК- (тепловизоры) и СВЧ-лучей (радары) от людей и техники.

В каждом конкретном случае задача решается своими средствами:

- защита от обнаружения приборами ночного видения, основанными на детекции ИК-излучения объекта наблюдения, решается с помощью специальной геометрии рисунка, полученного красителями, и меняющими определенный спектр поглощения и испускания в ИК-области.

В случае детекции с помощью тепловизоров используют технологию формирования на поверхности текстиля ультратонкой металлической (алюминий) пленки, отражающей и рассеивающей тепловые лучи.

Маскировку против детекции с помощью радаров (СВЧ) решают с помощью специальных мегаматериалов, делающих объект полностью невидимым, как в случае текстиля с системой «стелс». Для текстиля такая технология пока еще в разработке.

Медтекстиль

Медицина одна из наиболее успешных областей использования NBIC-технологий, в том числе в производстве медтекстиля, и это следующие направления.

Диагностический текстиль и одежда со встроенными датчиками, приемниками и анализаторами состояния организма (больного пациента, бойца, спасателя и т.д.). Для этого используются миниатюрные датчики, контактирующие через нательное белье с телом человека и определяющим его основные физиологические параметры и их отклонение от нормы. Более продвинутые решения (армейский боевой комплект) оказания первой помощи (одежда) – трансдермальная капельница, формирование лангетки и др.

Одно из направлений диагностической и лечебной одежды – телемедицина. В этом случае пациент, находящийся на дистанции от лечебного учреждения мониторится на предмет его консультации и лечения дистанционно (антенна, беспроводная связь). Это не только проблема медицины, но и важная социальная задача дистанционной диагностики, восстановления, здорового образа жизни. [13, 14]

Эти же решения с помощью NBIC-технологий используются в спорте высоких достижений, в экстремальных видах спорта, в одежде для отдыха. Медтекстиль – это и раневые лечебные покрытия нового поколения, имплантаты и различные органы и ткани.

Умная модная одежда. Многие решения NBIC-технологий, полученные в первую очередь для силовых структур, медицины и спорта, получили коммерческое решение в модной одежде:

- одежда со встроенными миниатюрными микро- и наноэлектронными системами: гибкий мобильный телефон, телеэкран, процессор, антенны, GPS (ГЛОНАСС);

- одежда с программными изменениями цвета, рисунка и даже силуэта;

- одежда, реагирующая цветом на настроение;

- одежда, предупреждающая об опасности;

- одежда, светящаяся ночью при освещении фарами транспорта;

- одежда для спорта и отдыха, обеспечивающая защиту от переохлаждения и перегрева и комфорт в пододежном пространстве в любых погодных условиях.

Заключение

С помощью NBIC-технологий за последние 15 лет, может, не все достигнуто из того, что прогнозировали ученые, но многое и в производстве текстиля по этим технологиям уже делается, перечислим главные из них:

- защитная многофункциональная «умная» одежда для силовых структур, для спасателей, пожарников, работников опасных профессий, спортсменов, экстремалов;

- диагностическая одежда для больных (особенно, для лежачих и хроников), для армии, спортсменов, организация дистанционной телемедицины;

- умный текстиль для модной одежды и для дома;

- лечебный текстиль (раневые покрытия) для различных заболеваний;

- имплантаты на основе текстиля;

- текстиль для корпорального лечения;

- «умная» защитная спецодежда для медперсонала и одежда больных в госпиталях;

- спецкостюмы для пилотов реактивных самолетов и для выхода космонавтов в открытый космос.

На рис. 9 показан солдат американской армии в боевом комплекте одежда (проект 2010 г.).

Рис. 9.

И это конечно немало, но впереди еще очень много нерешенных задач, особенно в области защиты человека от всяких опасностей и рисков, для лечения больных, организация ведения здорового образа жизни.

В NBIC-технологии, в том числе в производстве нового поколения текстиля, стоит вкладываться и государству, и частным инвесторами, которые иногда не знают, куда девать деньги.

Мой коллега по НОР, вице-президент нашего общества, уважаемый Георгий Геннадьевич Маленицкий пишет очень яркие статьи и выступает за развитие советского ВПК на новом витке. Я лишен этого милитаристского увлечения, может потому что пережил все ужасы отечественной Войны в сознательном возрасте.

Во-первых, я не вижу явных военных врагов (экономические конкуренты – да, их на планете множество). Во-вторых, уже одну Холодную войну мы проиграли и получили то, что имеем. Может, хватит?

Давайте развивать нормальную, современную экономику, в том числе и с использованием NBIC-технологий. Но и о безопасности страны не нужно забывать. Если будет высокий уровень развития всей экономики, то к нам никто и не полезет. Однобокое развитие ВПК – это тупиковый путь, на эти советские грабли мы уже наступали. Успех за технологиями двойного назначения.

Литература.

1. Кричевский Г. Е. Нано-, био-, химические технологии в производстве нового поколения волокон, текстиля и одежды. Издание первое. — М.: 2011. - 528 с.

2. Кричевский Г. Е. Всё или почти всё о текстиле. Т.1-2. М., изд-во «Известия», 2013, 240 с., 192 с.

3. Chad A. Mirkin, Mihail C. Roco, Mark C. Hersam. Nanotechnology Research Directions for Societal Needs in 2020: Retrospective and Outlook. Spring 2014.

4. Валерия Прайд, Д. А. Медведев. Феномен NBIC-конвергенции: реальность и ожидания. http://transhuman.ru/biblioteka/nanotekhnologii/fenomen-nbic-konvergentsi 06.03.2008

5. MilitaryTextiles. EditedbyEugene Wilusz. Woodhead Publ. Ltd., Oxford, 2009, 484 p.

6. Textile for protection. Edit by R.A.Scott, Woodhead Publ. Ltd., Oxford, 754 p.

7. Кричевский Г. Е. Фотохимические превращения красителей и светостабилизация окрашенных материалов. – М.: Химия, 1986. – 248 с.

8. Теренин А. Н. Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений. Л. Наука. 1967. 616 с.

9. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов. Том 3. Учебник для вузов в 3-х томах. - М.: Изд-во МГУ, 2001. - 298 с.

10. «Направленное подведение лекарственных препаратов при лечении онкологических заболеваний»; под редакцией А. В. Бойко, Л. И. Корытовой, Н. Д. Олтаржевской. – М.: МК, 2013. – 200 с.

11. Smart textiles for medicine and healthcare. By L. Van Langenhove, Woodhead Publishing Ltd., Cambridge, England, February 2007., pp. 275–297.

12. Кричевский Г. Е. Телемедицина. Умный, интерактивный, многофункциональный текстиль. http://himtex.org/publication-details.php?id=7

13. A.Lymberis, S.Olsson. Intelligent biomedical clothing for personal health and disease Management: State of the art and future vision. Telemedicine journal and ehealth. : Mary Ann Liebert, Inc., 2003. Vol. 9, 4, pp. 379-386.