Надежный, как броня
Российские ученые создали мембранный материал, который защищает от воды и ветра, при этом дышит, отталкивает вредные вещества и противостоит открытому пламени. Новинку из фторполимеров уже испытали в реальных условиях. В будущем из нее могут делать как одежду для спортсменов-экстремалов, так и камуфляж для военных, который называют «плащом-невидимкой».
Самый известный фторполимер (пластик с содержанием фтора) – тефлон. Пожалуй, в каждом доме найдется хоть одна сковородка с тефлоновым антипригарным покрытием. По стойкости этот материал превосходит благородные металлы, эмали и высоколегированные стали. При этом не подвергается воздействию кислот, щелочей, окислителей и растворителей даже при высокой температуре. Более того, фторполимеры способны выдержать длительное радиационное облучение. Благодаря уникальным свойствам эти пластики широко используются в авиации, энергетике, космической и других отраслях промышленности. Но есть и другие сферы применения. К примеру, в Саратовском национальном исследовательском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского (СГУ) с 2009 года ведутся работы в области создания нетканых материалов из сверхтонких полимерных волокон.
Под грифом «Секретно»
Плюсы и минусы мембранной ткани
•Легкая и удобная
•Хорошо защищает от дождя и снега
•Не продувается ветром и хорошо отводит испарения тела наружу
•Подходит для разной погоды, в том числе морозной
•Защищает от вредных веществ
•Достаточно дорогая
•Нуждается в особом уходе и правильной стирке
•Более требовательна к подбору белья (желательно использовать термобелье плюс флис)
Речь идет о нановолокнах с диаметром менее 0,5 микрона. Они получаются путем электроформования (его еще называют электроспиннингом) – это своего рода прядение с помощью электрического поля, которое позволяет перемещать полимерный расплав или раствор от кончика капиллярной трубки к коллектору. Когда тонкие струи высыхают, формируются волокна, пригодные для дальнейшего использования в качестве сырья.
Кстати, технология электроформования в СССР была засекречена. Она разрабатывалась в конце 1930-х в Московском научно-исследовательском физико-химическом институте им. Л.Я. Карпова. Там же был создан материал, который получил название «фильтры Петрянова». Ультратонкие волокна хорошо очищали воздух от тонкодисперсных аэрозолей. Во время Великой Отечественной войны их наносили на марлевую подложку и применяли для защиты органов дыхания.
– Первоначально мы тоже ориентировались на медицинское приложение наших разработок: перевязочные средства, хирургические маски, белье, – вспоминает заведующий лабораторией «Материалы специального назначения» Юрий Сальковский.
– Идея использовать сверхтонкие полимерные волокна для создания высокопористых мембран появилась несколько лет спустя. Практически сразу начали подготовку заявки на проект Фонда перспективных исследований (ФПИ).
Государственный фонд был заинтересован в создании инновационного материала, который бы подошел для экипировки военнослужащих. Требовалось решение, гарантирующее высокий уровень безопасности и комфорта. Характеристики фторполимеров для этих целей оказались как нельзя кстати.
Переходим на наноуровень
С момента, как ФПИ поддержал саратовских исследователей, работа в лаборатории закипела. В проекте был занят 21 человек, при этом удалось объединить ученых разных направлений, прежде всего химиков и математиков. Научным руководителем выступил президент СГУ профессор Леонид Коссович.
На средства Минобрнауки и ФПИ приобрели современное оборудование. К примеру, импортные установки бескапиллярного электроформования, позволяющие получать полотна из волокон диаметром 50–500 нанометров. Ширина рулона – до 1,5 м, длина – до 500 м и более. При этом саратовские ученые изначально ориентировались на отечественную сырьевую базу. В процессе получения волокнистых мембран использовали фторполимеры российского производства – Кирово-Чепецкого химкомбината.
– До нас в СГУ электроформованием никто не занимался, так что пришлось развивать направление с нуля. Апробация и масштабирование технологий проводились на полноразмерных опытно-промышленных установках, приобретенных в рамках Программы развития национальных исследовательских университетов, – рассказывает Юрий Сальковский.
Проект стартовал в сентябре 2014-го и длился три года. Первые образцы мембраны были получены в течение первого же года. Потом сотрудники лаборатории сконцентрировали усилия на том, чтобы усовершенствовать свойства и интегрировать мембрану в полноценный текстильный материал, пригодный для изготовления одежды и обмундирования. Не обошлось и без проблем.
– Помимо получения мембранного материала с требуемыми показателями по водоупорности и паропроницаемости, нам пришлось потрудиться над решением двух непростых задач, – делится ученый. – Первая – ламинирование, то есть скрепление нашей мембраны с существующими на рынке тканями. Задача была решена, причем даже для таких тканей, как трикотаж, флис, различные сетки и т.п. Второй трудностью была герметизация швов материала, поскольку иглы пробивают мембрану насквозь и через отверстия может проникать вода. Мы сумели сделать швы водонепроницаемыми.
В итоге разработанные мембраны выдерживают без протекания давление 10 м водяного столба, а по основному эксплуатационному параметру (паропроницаемости ) превосходят лучшие мировые аналоги в 1,5–2 раза, что обеспечивает длительное комфортное пребывание в одежде из мембранного материала. К тому же он служит своеобразным фильтром – может задерживать самые мелкие опасные аэрозольные частицы. К ним относятся вирусы, токсины, аллергены и другие вредные вещества.
Экстремальные перспективы
Наиболее известная в мире марка мембран – Gore-Tex, она чаще других встречается в одежде и обуви для любителей зимних путешествий и развлечений. Также широко используются импортные мембраны eVent, Porelle, Polartec NeoShell и др. От саратовского образца они, по словам его разработчиков, отличаются меньшей паропроницаемостью, что важно, если одежда носится в экстремальных климатических условиях. Это актуально для вахтовиков, работающих на Севере, строителей, а также спасателей и других специалистов, которые много времени проводят на ветру и морозе. К ним можно добавить военных – экипировка, выполненная из новой мембранной ткани, снижает заметность человека. Планируется производство камуфляжа, в частности, для воздушно-десантных войск.
Мембрана может использоваться в одежде для экстремалов, военных и полярников
Высокие качества мембранных материалов подтверждены в ходе опытной носки изготовленных из них ветроводозащитных костюмов для сотрудников полиции. Эксплуатация проходила в Московской области весной и в начале лета 2017 года. Лаборатория СГУ изготовила тестовую партию материала, из которого компания «Балтекс» произвела два десятка опытных комплектов спецодежды. Пилотный проект удался – материалы получили положительное заключение, так что теперь можно переходить к серийному производству. Благо потенциальные заказчики уже есть.
Свою заинтересованность в отечественной мембране проявляют представители силовых ведомств, производители одежды для полярного климата, активного отдыха и занятий экстремальными видами спорта. Этот ряд можно продолжить также одеждой для детей. Заботливые родители частенько гоняются за импортными мембранными куртками или ботинками для своих чад. Теперь появляется возможность предложить качественную отечественную продукцию.
Если удастся наладить пошив мембранной одежды в промышленном масштабе, сформируется устойчивый внутренний спрос на фторполимеры, которые сейчас преимущественно идут на экспорт. При этом ученые не перестают искать новые сферы применения этих высокоэффективных пластиков. Саратовская лаборатория теперь занялась разработками в области фильтрации воздуха от высокодисперсных аэрозолей. Это в очередной раз подтверждает, насколько универсальными свойствами обладают полимеры. Их использование ограничивается разве что фантазией.
