Природное сырье и биотехнологии в производстве текстиля

Вся одежда минувших веков вплоть до начала XX столетия изготавливалась исключи­тельно из шерстяных и растительных волокон, которыми одаривала людей природа. Челове­честву известны десятки растений, из которых можно получать ткани: хлопок, лен, пенька, джут, рами, кенаф, абака, кендырь, сизаль, манила и другие. Одним из первых растений, ко­торое использовалось для получения одежных материалов, была обыкновенная крапива. Она стала удобным и дешевым сырьем для изготовления грубой ткани, мешковины, рыболовных снастей, веревок, канатов. Дикорастущей крапивы было в избытке. Вплоть до XVII века в Центральной Европе под крапиву отводились большие площади обрабатываемой земли. Впоследствии крапиву потеснили лен, шерстяное, шелковое сырье и пенька. Волокнистые стебли крапивы пригодны для изготовления бумаги и некоторых видов ткани. В Непале рас­сматривается вопрос о промышленном освоении практически неисчерпаемых зарослей кра­пивы, которая в предгорьях Гималаев достигает трехметровой высоты и произрастает целы­ми полями. Центральное швейцарское ведомство по овощеводству признало крапиву куль­турным растением и рекомендовало ее для массового возделывания. Крапива издавна при­меняется в народной медицине, благодаря содержащемуся в ней большому числу целебных веществ. Из ее листьев можно получить натуральный краситель, а семена используются в парфюмерии. Высокая урожайность крапивы и ее неистребимая живучесть позволяет уче­ным видеть в ней источник получения белка в будущем [Клюев, Чистоклет, 1987]. По дан­ным производителей (Германия), ткани из крапивы выглядят как льняные, блестят как шел­ковые, обладают теплозащитными свойствами как шерстяные [Бузов, Алыменкова, 2004].

Из существующих видов целлюлозных волокон наиболее распространенными для произ­водства одежды в нашей стране являются хлопковые и льняные волокна. Хлопковые волокна покрывают поверхность семян однолетнего растения хлопчатника. Для получения льняного волокна выращивают специальный вид льна - лен-долгунец, представляющий собой одно­летнее травянистое растение. По сравнению с хлопком в волокне льна содержится большое количество сопутствующих веществ: присутствие лигнина в составе волокон придает им же­сткость, хрупкость и ломкость. При действии светопогоды активизируется процесс окисле­ния целлюлозы кислородом воздуха, что приводит к снижению механических свойств (проч­ности, удлинения), повышению жесткости и хрупкости волокон. При обработке 20%-м рас­твором щелочи целлюлозные волокна набухают, распрямляются, сопутствующие низкомо­лекулярные соединения частично разрушаются, в результате чего повышается прочность во­локон, увеличивается их блеск, улучшается способность к окрашиванию и т.п. Подобная об­работка используется при мерсеризации хлопчатобумажных тканей.

Для получения текстильных материалов используют шерсть различных животных, чаще всего в смеси с овечьей шерстью. Шерстяное волокно изготавливают из шерсти, т.е. волося­ного покрова животных: овец, коз, верблюдов и др. Наиболее широкое применение в произ­водстве текстильных материалов получила шерсть овец. Верблюжья шерсть имеет пуховые во-

локна длиной 60-70 мм, альпака - шерсть ламы из семейства верблюдовых - тонкое, проч­ное, мягкое и блестящее волокно. Кашемир - шерсть кашмирских коз, получаемая вычесы­ванием, - очень тонкое и длинное (до 450 мм) волокно. Мохер (могер, тифтик) - шерсть ан­горской козы - представляет собой тонкое, длинное (150-200 мм), мало извитое и блестящее волокно. Ангора - пух ангорского кролика - мягкое, тонкое, водостойкое и молеустойчивое волокно.

Шелковое волокно - продукт выделения особых шелкоотделительных желез некоторых насекомых. Промышленное значение имеет шелк, получаемый от гусениц тутового шелко­пряда. В период выкармливания гусениц листьями тутового дерева в их теле совершается белковый обмен. Под воздействием ферментов пищеварительного сока белки, содержащиеся в листьях тутового дерева, распадаются на отдельные аминокислоты, которые усваиваются клетками организма гусеницы. Помимо этого в организме происходят синтез аминокислот и перестройка их молекул, т.е. превращение одних аминокислот в другие, В результате к мо­менту окукливания в теле гусеницы накапливается жидкое вещество с полным набором раз­личных аминокислот, необходимых для создания основного высокомолекулярного соедине­ния натурального шелка - фиброина и шелкового клея - серицина. Шелк особо чувствителен к действию светопогоды. Например, после 200-часовой экспозиции в летнее время волокно шелка теряет 50% первоначальной прочности- значительно больше, чем другие волокна. Шелк становится хрупким, менее эластичным и более гигроскопичным.

Волокна животного происхождения (шерстяное и шелковое) состоят из белков - природ­ных высокомолекулярных соединений, к которым относятся кератин (в шерсти), фиброин и серицин (в шелке). Макоромолекулы белков натуральных волокон имеют сложную форму <х-спирали. При внешних воздействиях а-спирали макромолекул могут распрямляться на от­дельных участках и переходить в р-спирали. Белковые волокна неустойчивы к действию да­же слабых растворов щелочи, но выдерживают действие слабых растворов минеральных ки­слот и более сильных - органических - без заметных изменений свойств. В состав шерсти помимо кератина (90 %) входит некоторое количество минеральных и жировосковых ве­ществ, пигмента и межклеточного вещества. Волокно шерсти имеет довольно сложное мно­гоклеточное строение. Каждая чешуйка наружного слоя волокна покрыта тонким слоем, со­стоящим из хитина, воска и других веществ, обладающих большой устойчивостью к кисло­там, хлору и другим реактивам. Неоднородное строение основного слоя волокна обусловли­вает его природную извитость. Наличие сердцевидного срединного слоя повышает толщину и жесткость волокна. По характеру строения шерстяные волокна подразделяются на четыре типа: пух - тонкое, короткое, сильно извитое волокно; переходный волос - более толстое; ость - еще более толстое, жесткое волокно; мертвый волос - толстое, грубое малопрочное волокно. Однородная шерсть содержит преимущественно волокна одного типа и подразде­ляется на тонкую, полутонкую, полугрубую. Тонкую и полутонкую шерсть используют в производстве тонких костюмных и платьевых тканей, высококачественного трикотажа. Не­однородная шерсть состоит из всех типов волокон. Неоднородную грубую шерсть применя­ют при изготовлении грубосуконных тканей, войлока, валенок и т.п.

Однако природа не может дать текстильные материалы, отвечающие современным за­просам наз'ки, техники, производства. Из древесины ели, сосны, пихты, бука, хлопкового пу­ха получают природную целлюлозу, служащую сырьем для производства гидратцеллюлоз-ных искусственных волокон. По химическому составу гидратцеллюлоза аналогична природ­ной целлюлозе, однако существенно отличается от нее своей физической структурой. Вис­козные волокна обладают высокой гигроскопичностью, светостойкостью, мягкостью и стой­костью к истиранию. Однако им свойственен и ряд недостатков, связанных с неоднородной, рыхлой и мало упорядоченной структурой. При увлажнении волокна сильно набухают, что приводит к повышенной усадке текстильных материалов, значительно теряют прочность при растяжении (до 50 %) и устойчивость к истиранию. В нашей стране выпускают высокомо­дульное вискозное волокно сиблон, которое имеет прочность в нормальных условиях в 1,6 раза выше, чем прочность обычного вискозного волокна, а в мокром состоянии - в 2 раза

выше. Сиблон применяется как заменитель средневолокнистого хлопка, в смеси с хлопковыми и синтетическими волокнами и в чистом виде. Тысяча метров тончайшего сиблона весит ОДЗ грамма, и его в самых разных пропорциях можно смешивать с тонковолокнистым хлопком.

Искусственные и синтетические волокна дополняют натуральные, придают им такие свойства, которыми природные материалы не обладают. Если в шерсть добавить не более 10% капрона, то это создаст совершенно новую гамму свойств. Профилированные волокна капрона усиливают цепкость и шерстоподобность ткани, снижают ее вес за счет полых воло­кон. Удлиненные волокна нитрона после тепловой обработки усаживаются и структура их копирует натуральные шерстяные волокна, в результате пряжа становится пушистой. Если в шерстяную пряжу добавить даже более половины нитрона, внешний вид ткани останется не­изменным. К шерстяному волокну, состоящему из полимерных молекул, созданных приро­дой, можно прирастить др)тие молекулы, и ткань приобретает новые, необычные для нее свойства. В частности, перестает садиться. После воздействия токов высокой частоты шер­стяные волокна практически теряют способность наэлектризовываться. Обработав шерстя­ную пряжу инфракрасными лучами, можно значительно улучшить ее физико-механические свойства, снизить обрывность, что поднимает производительность труда в ткачестве.

На основе биотехнологии ученые разработали несколько способов получения искусст­венных волокон, которые по своим свойствам мало отличаются от натуральных. К свойствам натуральной шерсти вплотную приблизилось биоПАНволокно. В процессе производства это синтетическое полиакрилонитрильное волокно обрабатывается специальной биомассой из особых микроорганизмов. Проделав разрушительно-созидательную работу, бактерии выдают почти готовый к употреблению продукт, заменяющий шерсть.

Дессинаторы, разрабатывающие новые структуры тканей и трикотажных полотен, пред­ложили технологию получения тонких и легких изделий. Переплетение натуральной и син­тетической нитей в изделиях рассчитывается таким образом, что внутренняя, прилегающая к телу поверхность изделия хлопчатобумажная, а внешняя - эластичная. Квадратный метр та­кого полотна более чем на треть легче обычного, что позволяет значительно снизить мате­риалоемкость производства.

Приверженцы бионики пытаются скопировать природные «технологии» получения мно­гих веществ, засекреченных бесконечно долгой эволюцией развития органической жизни. Обычная паутина обладает необыкновенно высокой прочностью и эластичностью и состоит из протеинов. Биологи нашли гены, ответственные за процесс протеинового синтеза в насе­комых. Они пытаются привить их клеткам дрожжевых микроорганизмов методами генетиче­ской инженерии. Кроме пауков, «плести» волокна могут микроскопические грибки плесени. Размножаясь на отходах хлопкового производства, они начинают синтезировать ферменты, расщепляющие целлюлозу. С помощью генетических ухищрений биотехнологии отходы хлопка смогут превратиться в ткани.

Химические волокна вытесняют натуральные: с конца 50-х годов XX века натиск руко­творного текстильного сырья остановил рост мирового производства льна, шерсти, шелка. Технология получения армированных волокон, повышающая их прочность в 1,5-2 раза, по­зволила внедрить новый способ в самые передовые области техники и производства. Напри­мер, светопроводящие синтетические волокна заменяют хрупкие стеклянные световоды в волоконной оптике, с которой связано будущее кибернетических машин и информационных систем. Производство армированных ниток, представляющих синтетический полиэфирный стержень, снаружи оплетенный хлопком, имеет широкое применение в швейном и обувном деле. У армированных нитей много достоинств: им не страшны бактерии, плесень, коварные перемены погоды; они устойчивы к агрессивным кислотам (серной и уксусной), щелочам, бензину, машинному маслу.

На основе углеродного элемента карбина создано волокно витлан, применяемое в вос­становительной хирургии. Способность выделять тепло при прохождении через витлан элек­трического тока используется при создании костюмов с электроподогревом. Теплозащитные материалы используются в космической промышленности. Углеродное волокно успешно

применяется в фильтрах для очистки лекарств и донорской крови, для защиты органов дыха­ния. Материалы из огнестойкого волокна не боятся мороза вплоть до температуры жидкого азота. Армированные таким волокном резина и стеклопластики могут надежно работать и в космической среде, и в реакторах с резким перепадом температур. Это пока единственный в своем роде синтетический рекордсмен, который наряду с высокой термостойкостью сохра­няет прочность и эластичность под длительным радиационным и ультрафиолетовым облуче­нием. Такой уникальный набор достоинств дает сверхстойкому полимеру право занять одно из почетных мест в наиболее перспективных областях науки, техники и производства.

При проектировании структуры волокон очень помогло изучение природы. Структура натуральных волокон позволяет им выполнять определенные функции в пределах живого организма, поэтому, копируя структуру натуральных волокон, можно достичь высокой функциональности и эстетики химического волокна. Чтобы производить синтетику с качест­вами шелка, необходимо объединить усилия ученых и технологов. Это может быть достиг-. нуто за счет разнообразных новых технологических решений, широко применяемых в на- стоящее время. Особенностями шелка, которые копируются в синтетических волокнах, и мето­дами, используемыми для их достижения, являются: блеск - достигается треугольной формой поперечного сечения; драпируемость - обеспечивается снижением давления в местах контакта нитей за счет снижения веса; мягкость- обеспечивается применением улътратонких волокон; объемность - формируется за счет смешанного ткачества и комбинирования обычных волокон с высокорастяжимыми нитями; шелестящий звук- является следствием нерегулярной формы и микроуглублений; натуралоподобный внешний вид - обеспечивается комбинированием различ­ных толщин и форм поперечного сечения и комбинированием нитей и волокон. Для копирова­ния извитости шерсти волокнам полиэстера придается дополнительная извитость за счет ис­пользования технологии ложного кручения при максимальном использовании их термопла­стических свойств. Для этих целей был разработан процесс получения из волокон полиэстера крученой пряжи, подобной шерстяной, путем формирования микропетель за счет текстурирова-ния или за счет получения пушистой поверхности путем местного утолщения. Наиболее трудная задача состояла в том, чтобы достичь противоположных характеристик шерсти, а именно: мяг­кости и упругости одновременно. Это было достигнуто за счет совместного применения двух приемов: ложного кручения и использования нитей с различным удлинением. Способность к водопоглощению, которая делает хлопок столь привлекательным в теплом и жарком климате, является результатом наличия в его структуре микропор и полостей. Имитация структуры хлоп­кового волокна позволяет достичь в синтетике таких свойств, как способность к поглощению жидкостей за счет модификации поперечного сечения и повышенной пористости волокна и теп­лозащитных свойств за счет высокой степени сохранения тепла в полой нити. Однако синтетика не может полностью заменить хлопок, в связи с чем разрабатываются новые искусственные цел­люлозные волокна. Примером таких волокон являются волокна, известные под маркой Lyocel, которые сочетают положительные свойства хлопка и синтетического волокна.

Химические волокна обладают многими особенностями свойств, не присущими нату­ральным волокнам. К таким свойствам относятся: одновременная способность к поглоще­нию влаги и водоупорность; электропроводимость; антибактериальные и аромопрофилакти-ческие свойства; устойчивость к действию ультрафиолетовых излучений; антимикробные свойства; очень малый вес [New fibers].

Некоторые высокомолекулярные соединения можно наполнить лекарственными вещества­ми. Сделанные из таких волокон (биолана, иодина, летулана) ткани будут' защищать живой ор­ганизм от болезнетворных микробов. Многие медики облачены в халаты и костюмы из специ­альной антимикробной ткани. Она соткана из ионообменных волокон. В перспективе - создание лечебных видов тканей и полотен, где лекарственные вещества будут оказывать целительное действие на определенные участки кожи человека или на весь организм в целом.

Одним из последних достижений в области технологии получения текстильных материа­лов из химических волокон является материал Shin-gosen, который может быть определен как одежный материал, отвечающий различным вкусам и назначению, благодаря сочетанию свойств синтетических и натуральных волокон. Разработка данного материала - это резуль­тат применения целого ряда новых комбинированных текстильных и других технологий, на­правленных на создание материалов, способных удовлетворить различные эстетические тре­бования. Материал Shin-gosen нельзя отнести к ранее известным химическим материалам, таким как нейлон и полиэстер. Это новая категория волокнистого материала, в основе произ­водства которого лежат как уже известные технологии, так и вновь разработанные. Наиболее широко при производстве данного материала применяется смешанное прядение в сочетании с поверхностной обработкой. Смешанное прядение волокон с различными уровнями усадки придает материалам объемность. Применение ложной крутки в сочетании с использованием прядения филаментных нитей с различными уровнями удлинения обеспечивает получение шерстоподобной поверхности материала. Такие материалы отличаются высоким качеством, хорошей драпируемостью, большим разнообразием, которые не могут быть достигнуты в материалах из обычных волокон и нитей. Технология получения материала Shin-gosen по­зволяет получать материал с различным туше.

Компания Nisshinbo разработала ряд новых изделий, которые выглядят так, как будто бы сделаны вручную, путем применения 1/f колебаний процесса прядения, ткачества или вяза­ния. Такие колебания широко распространены в природе, например в дуновении ветерка или ропоте ручья, и дают чувство умиротворения. 1/f колебания могут быть названы ритмом природы. Они широко наблюдаются в природных явлениях и дают нам чувство расслабле­ния. В общем, природные явления и натуральные материалы имеют нерегулярности, которые приятны или неприятны для нас в зависимости от их состояния. Типичная природная нере­гулярность напоминает нерегулярную волну, не имеющую каких-либо закономерностей. Тем не менее, анализируя такие нерегулярности, можно установить, что они являются результа­том: комбинации простых элементарных волн. Когда мы наблюдаем длину элементарных волн в диапазоне из частот, определенные природные нерегулярности дают обратную про­порциональную зависимость между длиной волны и частотой. Такие нерегулярности назва­ны 1/f колебаниями. Присутствие 1/f колебаний в природных явлениях дают не только рас­слабление, но и создают ощущение красоты. Таким образом, они не только являются универ­сальным ритмом природы, но и тесно связаны с комфортом и красотой. Компания Nisshinbo применила понятие 1/f колебаний к пряжам и текстилю и разработала процесс образования пряжи с 1/f колебанием при помощи специальной системы прядения, которая может управ­лять конструкцией объекта. Эта пряжа сделана промышленным способом, но выглядит так, как будто сделана вручную. Такая пряжа используется в производстве носовых платков, за­навесок, джинсовых тканей и т.п. Эти изделия имеют неоднородную поверхность и создают­ся для того, чтобы позволить нам расслабиться. До настоящего времени однородная поверх­ность была наиболее важным требованием качества в промышленном изделии, поэтому идея производить шероховатые изделия с природной нерегулярностью промышленным путем яв­ляется новой и революционной.

Разработаны текстильные материалы, способные изменять свой цвет в зависимости от условий окружающей среды (материалы-хамелеоны), а также обладающие радужной пере­ливчатой поверхностью. Существуют технологии получения материалов-хамелеонов на ос­нове применения явлений фотохроизма (изменение цвета под воздействием света), термо-хроизма (изменение цвета под воздействием температуры), влагохроизма (изменение цвета под воздействием влажности). Получение подобного эффекта достигается методом печати или путем применения фотохромных материалов. Разработан термохромный одежный мате­риал Sway путем включения в структуру микрокапсул, содержащих теплочувствительные красители. Микрокапсулы равномерно наносятся на поверхность материала и покрываются сверху полиуретановой смолой. Они сделаны из стекла и содержат краситель, который реа­гирует на температуру, и в зависимости от этого окрашивается или обесцвечивается. Sway -

многоцветный материал, включающий 4 основных цвета и 64 цветовых комбинации, кото­рые изменяются при изменении температуры не более чем на 5°С. Компанией Kanebo Ltd разработан материал Comik-relief с печатным рисунком из микрокапсул, содержащих фото-хромный материал, который первоначально бесцветен, но под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны 350-400 мкм может менять цвет от светло-голубого до темно-синего.

В природе существует множество элементов, которые могут быть использованы при соз­дании цвета, например оболочка жемчуга, перья павлина, бразильская бабочка Морфо-ала, которые изменяют цвет при изменении угла падения света. Оболочка жемчуга имеет много­слойную структуру, а призматические перья павлина изменяют цвет благодаря решетчатой структуре, состоящей из тонких пластин меланина. Морфо-ала проявляет металлический ко­бальтовый синий цвет вследствие параллельного расположения канавок, образуемых чешуй­ками, расположенными в виде лестницы. Профессор К. Мацумото разработал многослойную светоотражающую флуоресцирующую пленку, которая наносится в виде дополнительного слоя на волокноподобные пленки, толщиной 0,2-0,5 мкм, используя технологию изготовле­ния металлизированных нитей. При этом волокно принимает заданный оттенок и может приобретать переливчатую (радужную) окраску. Нить, скрученная из таких волокон, приоб­ретает различные оттенки благодаря интерференции падающего света. Сегодня такие радуж­ные переливчатые нити широко применяются в производстве различных текстильных мате­риалов и являются еще одним достижением человечества, полученным на основе изучения природных явлений.

Контрольные вопросы

1. Примеры формообразования в природе.

2. Законы распознавания структуры биоформы.

3. Принципы пластической взаимосвязи элементов биоформы.

4. Примеры тектонических систем биоформ.

5. Свойства натуральных текстильных волокон, влияющие на тектоническое решение формы. /

6. Ошовные методы дизайнерской бионики.

7. Примеры структурного формообразования животных, насекомых, растений, которые являются прообразами предметных структур.

8/ Геометрическая «унификация» в природе.

9. Природные аналоги для разработки комбинаторного элемента.

10. Симметричные образования в природе.