Наноматериалы для текстильной промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Российский государственный университет нефти и газа

(национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»

КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

РЕФЕРАТ

на тему:

Наноматериалы для текстильной промышленности

Москва

2017 г

Содержание

1. Введение

2.Сферы применения текстиля

3. Основные типы наноматериалов и их характеристика

4. Достижения нанотехнологий в текстильной промышленности

5. Наноматериалы в текстиле

6. Нанопокрытия

7. Электроника и МЭМС

Заключение

Список использованной литературы

1. Введение

Нанотехнологии занимают ведущее место в современной науке, как одни из основных областей. Активное развитие в данном направлении способствует разработке новых научно-методических принципов, которые лежат в основе создания новейших волокнистых материалов с измененной химической структурой.

Производство наноразмерных материалов и изделий, как одно из главных направлений развития современной науки и технологии, стало известно около 15 лет назад. Данное направление развивается достаточно быстро и захватывает новейшие направления в науке и промышленном производстве. Для достижения определенного эффекта необходимы новые научно-методические принципы, подходы. [4]

2. Сферы применения текстиля

Текстиль - это объектом удовлетворения потребностей человека и важнейшим компонентом технологий, которые необходимы для решения прикладных программ, которые важны для безопасного развития общества, а также решения технических проблем.

С точки зрения науки, текстиль является сложным наукоемким продуктом. В начале XXI века с помощью текстиля инженерия стала решать многие значимые проблемы (рис.1):

  * функциональная одежда (с эффектом сухого белья, защающая от воздействий критических температур, огня, влаги, ветра, механических воздействий, от микроорганизмов, от москитов и т.д.), защита от техногенных воздействий: физических, электрических, магнитных и биологических (скопления микроорганизмов);

  * «геотекстиль» - текстильные полотна для защиты от эрозии почв; дренаж, формирование искусственного ландшафта; дорожное строительство;

  * сельскохозяйственные проблемы (защита урожая от птиц, града);

* обивочные материалы (салоны автомобилей, космическая техника), дублированные, подкладки для искусственной кожи; звуко- и теплоизоляция, герметизация салона;

* композиты (наполнители пластмасс); 

* защитные материалы при строительстве объектов от солнечной радиации, снежных заносов, камнепада;

* маскирующие и защитные (военный камуфляж, техника, чехлы);

* антенны (в средствах коммуникационной и спутниковой связи);

* радиоотражающи, радиопрозрачные и эрозионностойкие объекты летательных аппаратов;

* фильтры (воздушные, масляные, для очистки воды, отходов производства, нефти, функциональные избирательные, биологические, для защиты человека и помещений от химического, биологического и радиологического воздействий);

* технические ткани (брезенты, парусные, парашютные, транспортерные);

* маскировочные (одежда, покрытия, военные объекты, в том числе ложные цели);

*область профилактической и функциональной медицины, посттравматические изделия;

* рыболовство и фермерское разведение рыбы, устриц (различного вида сети) и другие направления в области морского хозяйства. [6]

Рис.1. Сферы применения текстиля. [6]

3. Основные типы наноматериалов и их характеристика

Исследование современных данных о масштабности и причинности значительного прогресса в области нанотехнологий показали, что человек всегда окружал себя нанообъектами и сам являлся живым нанообъектом, а также создавал своими руками нанообъекты. Однако широко заговорили о нанотехнологиях в России 5-10 лет назад.

Наноматериалы - это материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм (рис.2).

Рис.2. Основные типы наноматериалов и их характеристика. [1]

4. Достижения нанотехнологий в текстильной промышленности

Например, в США создан спецжилет, позволяющий пилотам сверхзвуковых истребителей быстро ориентироваться в пространстве, при возникновении критический ситуаций. В жилет встроены тактильные стимуляторы, посылающие в нужный момент вибрацию, что препятствует дезориентации и ориентирует внимание пилотов на нахождение сторон. То есть спецжилет, взаимодействуя на чувство осязания пилота, позволяет сократить число авиакатастроф истребителей.

Другой пример: для мотоциклистов и велосипедистов создали нагревающийся жилет, который присоединяется к мотоциклу или велосипеду, а генерируемая энергия которого передается к токопроводящей одежде. В модель жилета встроен миникомпьютер, который позволяет контролировать нагрев различных частей тела. Технология Zonеd Aerodynаmic позволяет в костюмах для конькобежцев и лыжников использовать до 6 различных материалов, сочетание которых оптимизирует аэродинамические свойства одежды. Каждый вид материала предназначен для «прикрытия» определенной части тела, а швы обработки сводят к минимуму сопротивление.

Еще пример: австралийский пловец Ян Торп выиграл 3 золотых медали на Олимпийских играх в Сиднее, благодаря облегающему костюму «акулья шкура», который создан в соответствии с гидродинамическими требованиями компанией Adidas . То есть с новыми возможностями одежда может стать «второй» кожей. [8]

Табл.1. Достижения нанотехнологий в текстильной промышленности. [8]

Из таблицы 1 можно сделать вывод о том, что в индустрии текстильной и швейной промышленности ученые и технологи концентрируются на инновациях, чтобы придать им новые свойства, которые отвечают растущим потребностям потребителей. Как было показано выше, наночастицы и наноматериалы имеют комплекс новых свойств, безопасность которых неизвестна для жизнедеятельности человека.

На рисунке 3 наблюдается, что свойства наночастиц и нанотехнологий не всегда положительны.

Рис.3. Неоднозначность положительного эффекта от свойств наночастиц и наноматериалов. [8]

То есть необходимо добиться баланса между обеспечением безопасности нанотехнологий для здоровья человека и внедрением в производство продукции наноиндустрии, которая обладает множеством полезных потребительских свойств.

5. Наноматериалы в текстиле

Текстиль на основе наноматериалов имеет уникальные по своим показателям водонепроницаемость, грязеотталкивание, теплопроводность, способность проводить электричество и т.д.

Наноматериалы имеют в своем составе наночастицы, нановолокна и другие добавки. Так, компания Nano-Tex производит ткани, улучшенные нанотехнологиями. Такие тканей обеспечивают абсолютную водонепроницаемость, то есть благодаря изменению молекулярной структуры волокон, капли воды полностью скатываются с полотна, которое при этом можно сказать «дышит».

Например, американская компания  NаnoSonic  разработала уникальную технологию, которая позволяет создавать материалы с невозможными в природе свойствами, в частности, листы полимера, гибкие и упругие, как резина, и проводящие ток, как металл. Данный образец назвали Mеtall Rubbеr , что в переводе означает “металлизированная резина”. Процесс производства Mеtall Rubbеr  носит название электростатическая самосборка. Для его реализации компания создала специального робота, который ускоряет создание продуктов. Следует отметить, 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, то есть очень жесткие условия. Металлический каучук применяется в различных областях техники: от аэрокосмической отрасли до электроники, включая изготовлении текстиля для спецодежды (рис. 4). [2]

Рис.4. Прототип спецодежды из ткани Mеtall Rubbеr. [7]

Из новинок текстильного нанорынка отмечается утеплительный материал  Aspеn's Pyrоgel AR5401, который изготовлен из полимерного материала с нанопорами. Благодаря нанопорам материал ведет себя как хороший теплоизолятор. Компания  Aspеn Aеrogels начала производство из нового материала утепляющих стелек для обуви. Причем эти стельки заказывали: команда, которая выиграла в 2004 г. марафон к Северному полюсу, одна из канадских лыжных команд и элитное спецподразделение армии США. Отзывы заказчиков о продукте очевидны: данные стельки являются универсальным решением для работы в экстремальных условиях (рис. 5).

Рис. 5. Тепловой изолятор Aspеn's Pyrоgel AR5401в действии. Температура факела газовой горелки - 1000°С [7]

Новый изолятор сохраняет тепло лучше, чем все существующие материалы. По сравнению с ними  его тепловые характеристики  при одинаковой толщине образцов улучшились с 3 до 20 раз. Очевидно, что при таких показателях изделия из нового теплоизолятора  обладают минимальной материалоемкостью. К примеру, в армейской обуви слой стелек из Pyrоgеl AR5401 составил всего 2,5 мм в толщину. [5]

6. Нанопокрытия

Нанотехнологии также используются для улучшения свойств традиционного текстиля и изделий из него. В таком случае на текстиль наносятся покрытия,  которые модифицируют его в  микронном и субмикронном диапазонах размеров. Энергосберегающая технология фотокатализа очищает поверхность текстиля без использования химических веществ и энергии, исключительно используя нанокатализаторы, которые нанесены традиционным текстильным оборудованием, солнечным светом и водой.

Так, Японская компания  Torаy Industriеs, заявила о создании новой технологии обработки текстиля, которая обеспечила прорыв в производстве  благодаря достижениям в направлении самосборки наноструктур. Например, Технология NanоMАTRIX позволяет наносить непосредственно на обработанное моноволоконным полотном покрытие толщиной 9...25нанометров (рис. 6).

Рис.6. Изображение нанопокрытия NanоMАTRIX отдельных монофиламентов полиэфира (видно, что каждое волокно находится в “трубочке” из нанопокрытия). [7]

Как известно, такого до сих пор не мог достичь никто: современные текстильные технологии до сих пор наносили покрытия или в пространство между монофиламентами, или в участки пересечения волокон. Для реализации этой технологии учёные изменяли температуру, давление, электрическое поле и другие параметры окружающей среды во время нанотехнической самосборки. При обработке текстильных изделий с использованием новой технологии отдельные монофиламенты не повреждались, а текстура обрабатываемого материала не менялась. Изделия из нанотекстиля  Torаy Industriеs  на основе полиэфира и хлопка приобретают уникальные эластичные, водоотталкивающие и антистатические свойства.

Исследователи из Гонконга создали покрытие на основе наночастиц, предотвращает загрязнение тканей, а также дезинфицирует их. Исследования учёных проводились в области разработки самоочищающихся наноповерхностей при низких температурах. По словам профессора  Джона Ксина,  с помощью новых наноповерхностей самоочистка материалов, в частности, текстильных материалов, может происходить в обычным комнатных условиях, без  опасных высокотемпературных воздействий. Так, ткань покрывают химическим соединением диоксида титана слоем в 50 нм. Когда этот слой подвергается воздействию солнца или при свете искусственных источников света в присутствии воды, ткань сама может разлагать органические соединения, запахи, бактерии и токсические вещества. Лучше всего нанослой присоединяется к хлопку и синтетическим волокнам. Самоочищающийся эффект после нанесения нанослоя с использованием обычного текстильного оборудования органически присущ текстилю и действует на протяжении всего жизненного цикла одежды.

Некоторые нанопокрытия доступны и на  российском рынке. Такими являются дезинфицирующие покрытия на основе наночастиц серебра и оксида цинка, а также покрытия, которые создают устойчивый слой, который не пропускает ультрафиолет. [3]

7. Электроника и МЭМС (микроэлектромеханические системы)

Интеграция в текстиль микроэлектроники и наноэлектроники, а также микроэлектромеханических систем значительно расширяет возможности повседневной одежды, которая может использоваться как средство связи и даже как персональный компьютер. А производство текстиля со встроенными датчиками позволит позволит контролировать состояние человеческого тела. Это откроет новые возможности в медицине, спорте и жизнеобеспечении в экстремальных условиях.

Одежда всегда играла роль посредника в общении между людьми.Так, летом 2004 года компания  Francе Telecоm  сделала эту медиафункцию реальностью, представив расположенные на рукаве беспроводные дисплеи, которые отображали эмоции данного человека (рис. 7).

Рис.7. Прототип дисплея-записной книжки, показывающего эмоции хозяина.[7]

Дизайнер компании  Элизабет де Сенневиль, разработала ряд гибких дисплеев, которые вшиты в карманы одежды и используются в качестве записных книжек, связанных с компьютером для передачи данных.

Приведем пример. В видеопрезентации новой технологии компании Cоmmunicating Clоthes молодая женщина смеется, и сердце, нашитое на ее одежду, пульсирует красным цветом. По сравнению с тем, что было представлено компанией в 2002 году, прогресс заметен сразу: дисплеи на основе светодиодов тоньше, легче и работают по технологии беспроводного соединения мобильных устройств (Bluetоoth). Но главной революционной идеей стала передача изображения с нашивки на одежде в виде MМS на мобильный телефон. В настоящее время компания проводит маркетинговые исследования для оценки объема будущего рынка для нового устройства, выпуск которого планируется в ближайшем будущем.

К тому же,  Мэгги Орт,  исследователь  Массачусетского технологического института,  пытается сделать  одежду-дисплей. Ее компания, Internаtional Fаshion Mаchines, производит ткань из запатентованной «электронной пряжи» - набора проводящих и непроводящих нитей, покрытых чернилами, которые меняют цвет в зависимости от температуры нитей. Нагрев нитей, который вызван протеканием по ним электрического тока низкого напряжения, приводит к тому, что чернила меняют цвет, и нанесенный ранее «шаблон» (в виде конфигурации нитей) начинает проявляться на ткани. Мэгги утверждает, что технологии «электронной пряжи» совместно с технологией «текстильного сенсора» будет использоваться во множестве продуктов: от больших экранов, вмонтированных в ковры, до абажуров ламп, которые меняют цвет от прикосновения. Использование этой технологии в одежде, по словам самой Мэгги, преждевременно до разработки нових электрохромных чернил, которые будут потреблять меньше энергии. Пока одежду из такого текстиля можно носить только дома - всегда можно «зарядиться». Одна из любимых идей Мэгги - создание одежды, которая предсказывает погоду. То есть, плащ, который оснащен дисплеем, изменяет цвет в зависимости от того, какая погода в данный момент. И если прогноз неблагоприятный, то человеку нужно сходить домой за зонтом. Узнавать погоду плащ будет по Интернету с помощью беспроводных технологий.

Вот еще пример. 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 обнаружения вредных веществ, микроскопический топливный элемент, микронасосы и т.д. (рис. 8).

Рис.8. “Умное” трико для военных, спортсменов и медиков. [7]

Неудивительно, что такой костюм предназначается для военного применения, но его можно также использовать в мирных отраслях, например, в медицинской отрасли, где он сам проверит состояние пациента (например, диабетика) и сам вовремя сделает необходимые инъекции.

Следующий пример. Исследователи из   Университета Беркли  (США), озабочены еще одной проблемой одежды нового тысячелетия - хранением и передачей данных от одежды к персональным компьютерам. Например,  компания  Elеctronics Grоup  создает матрицы транзисторов, которые являются частью структуры ткани одежды, которые при необходимости будут хранить  и передавать данные. То есть, одежда будет целой компьютерной сетью, которая сможет легко взаимодействовать с локальными сетями и Интернетом с помощью беспроводных технологий. Для интеграции транзисторов в ткань использована комбинация тонких алюминиевых прядей, покрытых специальным материалом, с нитями хлопковой пряжи. [5]

Заключение

наноматериал текстиль микроэлектроника материал

Таким образом, можно сделать вывод, что нанотехнологии в текстильной промышленности (текстильные ткани, искусственная кожа, мех, комплексные материалы, меха, кожи и т.д.) занимают значимое место, развиваются и углубляются в целях совершенствования технологии и улучшения качества продукции.

Список использованной литературы

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

2. Кузнецов Д.М.,Черунова И.В. Черунова Е.С. Акустическая эмиссия в жидкости при импегнировании гибких пористых. Материаловедение: Москва. - 2013. - № 3. - 2013.

3. Никифоров, Ю. Нанотекстиль или старые технологии в новой обертке / Ю. Никифоров // Российский электронный наножурнал - 2009.

4. Свидненко Ю.Г. Нанотехнологии в текстиле. Современные достижения. - 2005

5.URL: http://cyberleninka.ru/article/n/nanotehnologii-v-tekstilnoy-promyshlennosti#ixzz4db6BGfQD

6.URL: http://koi.tspu.ru/koi_books/Bodrova/page1,5.htm

7. URL: http://rustm.net/catalog/article/232.html

8. URL: https://www.scienceforum.ru/2014/pdf/2722.pdf

Размещено на Allbest.ru