Нанонаука и нанотехнология в производстве и материаловедении волокнистых материалов и изделий

Нанонаука и нанотехнология в производстве и материаловедении волокнистых материалов и изделий

Б.А. Бузов,  А.П. Жихарев, В.Ю. Мишаков, В.С.Белгородский (ГОУ ВПО МГУДТ);

В.Д. Баранов (ЗАО "ЦНТБ"); Б.В. Заметта (ОАО "НИИНМ")

     Нанонаука и производство наноразмерных материалов и изделий как одно из магистральных направлений развития современной науки и технологии заявили о себе в последние десять-пятнадцать лет. Это направление в области материаловедения и технологии активно развивается, захватывая все новые и новые области науки и промышленного производства [1, 2, 3, 4].

     По мере проникновения в структуру и свойства веществ и материалов, в сущность технологических процессов производства специалистам становилось очевидным, что для достижения определенного материаловедческого или технологического эффекта необязательно затрачивать избыточное количество как основных, так и вспомогательных веществ и материалов. Нужны новые научно-методические принципы и подходы. Провидцем такого направления стал Э.Фейнман. В  лекции под интригующим названием «Там внизу еще очень много места», прочитанной Э.Фейнманом на собрании Американского Физического Общества в I960 году он впервые провозгласил неизбежность создания наноразмерных материалов, обладающих наноразмерной структурой и новыми возможностями.

     В данном сообщении приняты следующие смысловые значения терминов и понятий.

     Проф. В.В. Лучинин [1] предложил следующие базовые понятия с приставкой "нано" и характеризующие их функционально-системные свойства:

     Наносистема − материальный объект в виде упорядоченных или само упорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, проявляющихся в виде квантово-размерных, синергетически − кооперативных, "гигантских" эффектов и других явлений и процессов, связанных с проявлением нано-масштабных факторов.

     Наноматериалы − вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявление физического и (или) химического взаимодействия при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

     Нанотехнология − совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуро- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

     Нанодиагностика − совокупность специализированных методов исследований, направленных на изучение структурных, морфолого-топологических, механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью.

     Наночастица − образование из связанных атомов или молекул с размерами меньше 100 нм.

     Для выражения функциональных особенностей, отражающих основные понятия и направления развития индустрии наносистем, предложены следующие характеристики:

     наноматериалы − легкость, прочность, стойкость, эластичность, биосовместимость, селективность, энергоемкость, память;

     нанотехнология − наноточность, нанолокализация, нанопозиционирование, наноизбирательность, нанокатализ, самоформирование, самоорганизация;

     нанодиагностика − наноточность, наночувстрительность, наноколичество.

     Исследования атомно-молекулярной структуры веществ и материалов свидетельствуют, что между атомами, молекулами, ионами происходят взаимодействия, в результате чего образуются упорядоченные структуры, измеряемые в нанометровом диапазоне ( 1нм = 10−9м = 10 Å).

     Специалистам, работающим с веществами и материалами известно, что комплексы атомов и молекул агрегируясь, могут образовывать как малоразмерные, так и крупноразмерные или объемные объекты. При этом выявляются существенные различия в их строении и свойствах.

     К малоразмерным объектам можно отнести кластеры (маленькие нано-размерные частицы вещества), аминокислоты, коллаген, нитевидные кристаллы-усы и др. Например, «Нитевидные усы» характеризуются высокой степенью упорядочения структуры и бездефектностью и могут отличаться от аналогичных, но непрерывных волокон по показателю прочности на порядок. Так, непрерывные волокна оксида алюминия имеют диаметр 10…250 мкм и прочность при растяжении 2000…2300 МПа, а нитевидные усы оксида алюминия имеют диаметр 2…10 мкм и прочность при растяжении 20600 МПа [5].

     Для целлюлозы теоретическая (расчетная) прочность, определяемая действующими в целлюлозе силами связей между атомами и молекулами составляет более 11000 МПа, а экспериментально установленная максимальная прочность целлюлозы не превышает 1000 МПа.

     В настоящее время нанотехнология становится одним из элементов современных производственных процессов волокнистых материалов.

     На основе выполненных исследований и представлений о наносистемах и нанотехнологии итальянская фирма Prochimica Jroup разработала гидрофильную наноэмульсию (наномягчитель) − Microcil Jdro, наночастицы которой имеют размер 14…15 нм [6]. Наноэмульсия Microcil Jdro оригинальна по химическому составу, содержит аминогруппы (NH2) и может применяться для обработки целлюлозных, белковых и синтетических материалов. В результате такой обработки текстильные материалы приобретают мягкий наполненный гриф, высокую гидрофильность и хорошую влагоемкостъ.

     Немецкая фирма Rudolf Chemie разработала серию препаратов (текстильно-вспомогательных веществ) для отделки текстильных материалов и придания им специфических свойств: «стирай – носи», "антипиллинг", «быстрая сушка», «водоотталкивающая» и др. [7].

     В Московском государственном университете дизайна и технологии выполнены работы [8, 9, 10], в которых использованы основные идеи и положения наносистем и получены новые научные и практические результаты.

     В работе Василенко Е.Н. [8] изучены возможности и установлены закономерности применения многоцелевых фосфолипидных жирующих композиций (ФЛЖК) липосомального типа, частицами дисперсной фазы которых являются липосомы − малые однослойные везикулы (MOB) размером от 20 до 120 нм, способные капсулироватъ гидрофильные и гидрофобные целевые вещества. Результаты исследований показали, что использование ФЛЖК, содержащей MOB приводит к улучшению эффекта жирования кожевой ткани по сравнению с использованием применяемых в меховой промышленности эмульсий больших мулътиламеллярных везикул (БМЛВ) лецитина, величина которых порядка 6 мкм, т.е. в 50…300 раз больше. Установлено, что увеличение кислотности кожевой ткани и степени дисперенести жирующей композиции способствует более быстрому ее впитыванию: капли ФЛЖК, содержащие MOB размером 20…40 нм впитываются в дерму быстрее на 10…15%, чем капли ФЛ1К, содержащие MOB размером 100…120 нм и на 20…25% быстрее, чем капли композиции БМЛВ.

     Бычкова И.Н. [9] на основе направленной модификации дисперсий фибриллярных белков разработала отделочные композиции для отделки меха. Предложила биометаллическую композицию, модифицированную водными растворами солей кобальта − для утемнения волосяного покрова или солей цинка − для маскирования желтизны волос и показала, что для повышения показателей колористических, эстетических и эксплуатационных свойств волосяного покрова меха важна последовательность нанесения компонентов композиции. Практическое использование разработанных композиций позволяет: повысить стойкость волосяного покрова к истиранию, к химическим и бактериологически агрессивным средам, повысить устойчивость натуральной окраски волосяного покро­ва к действию факторов «светопогоды» и др. воздействиям.

     Макарова Н.А. [10] при  создании антимикробного материала на нетканом носителе использовала биологически активный препарат, состоящий из катамина АБ и йодистого калия, который по реакции ионного обмена образует малодиссициирующий комплекс − йодит катамина АБ. Комплекс обладает антимикробным синергическим эффектом к действию патогенной микрофлоры, обеспечивает пролонгированный выход лечебного препарата к поверхности кожи человека, сохраняет антимикроб­ные свойства при мокрых обработках.

     Полученные результаты можно рассматривать как косвенное свидетельство о том, что антимикробный материал представляет собой наносистему. Продолжающиеся исследования в данной области позволят дать ответ о правомочности такого вывода.

     Таким образом, нанонаука и нанотехнология в производстве волокнистых материалов (текстильные полотна, кожа, искусственная кожа, мех, искусственный мех, комплесные материалы и др.) заняли определенное место, развиваются и углубляются в целях совершенствования технологии и улучшения качества продукции.