IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА НАНОТКАНИ
Волощенко А.С., Маслова П.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

На уроках «Технология» наш педагог объяснил нам, что ткачество существует, еще со времен каменного века, причем источник сырья был природным и органическим – шерсть, лен, хлопок, конопля, а также шелк.

Двадцатый век ознаменовался всплеском интереса к синтетическим тканям – нейлона, эластана, микрофибры, флиса (Приложение 1).

Нас заинтересовал вопрос производства современных тканей, обладающих новыми свойствами, поэтому наш интерес обратился в область нанотехнологий и новых сфер жизни и быта, которые обогащаются разного вида нанотканями.

Изучив литературу по данному вопросу, мы выяснили, что по принципу действия все непромокаемые и водоотталкивающие материалы можно условно разделить на несколько групп:

- Тканые материалы из натуральных, смешенных или синтетических волокон, покрытые непромокаемым составом. Такая ткань без покрытия не обладает водоотталкивающими свойствами, а после нанесения слоя покрытия – приобретает их.

-Тканые материалы, волокна которых обладают водоотталкивающими свойствами.

- Нетканые материалы мембранного типа. Для производства таких материалов применяются специальные составы из смеси целлюлозы и синтетических добавок, например, каучука или силикона.

В первую очередь ткани с применением нанотехнологий используются в производстве одежды. Это всевозможные несминаемые ткани, не пачкающаяся одежда и ковры, наноноски, в хлопковую ткань которых включены серебряные наночастицы, которые обеззараживают ткань и убивают бактерии, создающие неприятный запах.

Новым веянием в производстве одежды становится пьезоэлектроника – создание в ткани наноструктурной сети, вырабатывающей электричество из трения. От куртки из такой ткани можно будет подзаряжать телефон или планшетник прямо на ходу [7]. Ученые из Университета Далласа в Техасе изобрели плащ-невидимку, использовав известное природное явление – мираж. Новый материал, созданный на базе графена, обладает свойствами, сходными с раскаленным песком в пустыне, что позволяет "отводить глаз" от предмета, делая его невидимым. При этом невидимость можно включать и выключать, пуская по наноматериалу электрический ток.

Другим направлением применения нанотканей является медицина. Обычный бинт защищает рану от попадания бактерий извне, но не спасает от внутреннего сепсиса.

Цель нашей работы – создание гидрофобных покрытий различными способами и проверка их водонепроницаемых свойств.

Задачи:

- Изучить и проанализировать литературу по теме исследования;

- Выяснить, что же такое «эффект лотоса» и в чем же причина несмачиваемости некоторых поверхностей;

- Рассмотреть практическое применение «эффекта лотоса» и провести испытание разработанных гидрофобных продуктов, проверив идею водонепроницаемости.

Предмет исследования: ткани, обладающие гидрофобными свойствами, процесс изготовления таких тканей в домашних условиях.

Объект исследования – сравнительная характеристика средств, обладающих гидрофобными свойствами, предлагаемых производителями и сделанных своими руками в домашних условиях.

Методы исследования:

  1. Эмпирические (сбор информации по теме исследования из литературных источников и сети Интернет);

  2. Теоретические (анализ и сравнение, обработка полученной информации);

  3. Экспериментальные (с фотографированием этапов работы).

Основная часть

Ткань на основе мембраны

Наверное, уже трудно найти человека, ничего не слышавшего о высокотехнологичной («хайтековской») одежде и, в частности, той, в состав которой входят мембранные материалы. Хотя эта одежда пока довольно дорога, её цена не является такой уж неприступной для семейного бюджета. В чём основная привлекательность мембранной одежды? В том, что она обеспечивает отвод излишней влаги (а проще говоря — пота) от тела, одновременно защищая человека от дождя и ветра. Такие свойства придаёт одежде специальный материал — мембрана, способная пропускать водяные пары, исходящие от тела, наружу и не пропускать дождевую влагу внутрь. Параметры, характеризующие эти основные свойства, — паропроницаемость и водонепроницаемость.

Паропроницаемость («дышащая» способность) показывает, сколько граммов воды в парообразном состоянии может за 24 часа пройти через квадратный метр мембранного материала. К примеру, значение 10,000 г/м2 говорит о том, что 10 кг (т.е. практически 10 л) воды может испариться с тела человека за сутки через квадратный метр мембранного материала, прежде чем появится конденсат на коже или на куртке. Показателя в 6,000–7,000 г/м2 вполне достаточно для комфортного проведения активной рыбалки со спиннингом в прохладную погоду. А вот для передвижения жарким летом лучше подбирать модели с показателем 17,000–20,000 г/м2.

Водонепроницаемость (водостойкость, гидрофобность) — способность материала препятствовать проникновению воды от осадков через ткань. Этот показатель выражается в давлении воды на ткань. Давление измеряется высотой водяного столба в миллиметрах. Для надёжной и длительной защиты от дождя средней силы достаточно, чтобы водонепроницаемость достигала 8000 мм, а от сильного ливня — 12000 мм.

Непродуваемость (ветронепроницаемость) — это побочный показатель материала, характеризующий степень проникновения через него потоков воздуха. Наличие ветронепроницаемости полезно для поздней осени, зимы и весны. Да, не удивляйтесь: мембранные костюмы в первую очередь используются именно в названные сезоны, летом же они пригождаются только в дождь.

Мембраны делятся на две большие группы: гидрофобные и гидрофильные. Гидрофобные — это полимерные материалы, практически не впитывающие и, как следствие, не пропускающие воду. Однако и паропроницаемость тогда близка к нулю! В этом случае, чтобы материал стал «дышащим», его делают пористым, причём размер пор выполняется с таким расчётом, чтобы молекулы пара проходили через ткань, а капли воды — нет. Этого эффекта удаётся достичь потому, что капля воды, содержащая множество связанных между собой молекул, гораздо крупнее молекулы водяного пара. Гидрофильные материалы не имеют пор. В них молекулы паров пота проходят через волокна мембраны посредством вытеснения одной молекулы другой, поскольку с внутренней стороны одежды создаётся избыточное давление пара. Проще говоря, когда постоянно испаряющиеся молекулы проникают в материал куртки или штанов, последующие испарившиеся молекулы как бы подталкивают наружу предыдущие, и те проходят через мембрану.

В чистом виде гидрофильные и гидрофобные мембраны не применяются. Любой производимый мембранный материал представляет собой их сочетание в определённом соотношении. Это все потому, что мембранные плёнки, как гидрофобные, так и гидрофильные, очень тонкие, толщиной всего 1 мкм (микрометр — одна миллионная метра). Они имеют низкую прочность, поэтому их наносят на ткань-каркас. От того, насколько тонкий и прочный этот каркас, зависят эксплуатационные свойства изделия. Комбинируя мембраны с разными каркасами, можно получить материалы с широким спектром показателей водостойкости и паропроницаемости. А, например, таинственная надпись на этикетке «100% nylon» мало что говорит про конкретный состав ткани. Материал одежды может быть дополнительно обработан всякого рода покрытиями, напылениями и пропитками, усиливающими некоторые его свойства. На этикетке мембранного костюма можно увидеть надпись «PU-слой».

это сочетание природного волокна - хлопка и супертонкого PU слоя!

Она обозначает наличие водоотталкивающего полиуретанового (PU) покрытия, заставляющего воду скатываться с поверхности ткани без проникновения внутрь. Вещь достаточно интересная, но у неё есть по крайне мере два больших минуса. Первый — ухудшение пароотведения. Если «чистая» мембрана может обеспечить показатель паропроницаемости около 20,000 г/м2, то с напылением этот параметр может упасть в 2 раза! Второй минус — малая долговечность покрытия, полноценная работоспособность которого ограничивается первой стиркой. Ведущими производителями мембраной ткани являются следующие компании: • Gore-Tex (производитель W.L.Gore&Associates); • Laytec (Omni-Tech) (прозводительAsahiChemical); • TriplePointCeramic (производитель UnikitaJapan); • Breathe (производитель UCB Chemical); • Drycoat (производитель MontBellAmerica); • Windtex (производитель VagotexItaly).

Эффект лотоса» - супергидрофобные свойства ткани

Понять, прочему лотос выглядит всегда свежевымытым, исследователи смогли только в 70-х годах прошлого века, когда с помощью электронного микроскопа изучили поверхность листьев растения.До тех пор считалось, что на гладкой поверхности грязь почти не задерживается. Как же поразились учёные, когда увидели, что самыми грязными оказались именно растения с гладкой поверхностью листьев!

Лотос стал одним из символов чистоты, благодаря свойствам его листьев удалять с поверхности воду и любые загрязнения, что позволяет им оставаться чистыми, даже вырастая на болоте. Данное явление сопровождается образованием на поверхности листа практически сферических капель, которые скатываются даже при незначительном наклоне, попутно унося с собой грязь, которая находится на поверхности. «Эффект лотоса» можно наблюдать не только у самого лотоса, но и у других растений – у капусты, тюльпана и даже насекомых – бабочек, стрекоз. «Эффект лотоса» помогает этим крылатым насекомым не намокнуть, не испачкаться и не потерять способность летать[5].

Природа данного явления заключается в том, что капля, попадая на шершавую поверхность листа, как бы повисает на этих неровностях-иголках и не может коснуться основной поверхности. Таким образом, вода взаимодействует только с кончиками выступов, тем самым, радикально уменьшая площадь соприкосновения капли с поверхностью, что приводит к появлению супергидрофобных свойств.

Уже буквально через несколько лет после открытия основ эффекта ученые смогли повторить подобные эксперименты на рукотворных объектах.

Дальнейшее развитие технологий позволило через 20 лет после открытия эффекта поставить его на службу человечеству. Природный эффект, положенный в основу современных супергидрофобных покрытий, научно оформлен с 1990-х гг. Вильгельмом Бартлоттом. Именно этот немецкий ботаник обозначил практическую ценность явления «низкой смачиваемости» листьев, лепестков растений семейства лотосов и ряда других цветов. В этом смысле эффект Лотоса является одним из рекордсменов по быстроте проникновения фундаментальной научной идеи в нашу повседневную жизнь.

Современные нанотехнологии использованные для создания супергидрофобного покрытия «Нанобарьер» позволили пойти дальше природы и создать нанопокрытия невидимые глазом, не меняющие состав или механические свойства поверхности, но при этом позволяющие сделать любой материал супергидрофобным и, как следствие, самоочищающимся.

«Эффект Лотоса» в действии

Технология самоочищающихся супергидрофобных покрытий основана на эффекте Лотоса, возникающего при прямом контакте жидкости с наноструктурированной поверхностью. Учёные в настоящее время разработали и производят устойчивые к загрязнению и самоочищающиеся поверхности в строительной, автомобильной, обувной промышленностях, авиации, электроэнергетике.

Уже производятся созданные на основе «эффекта лотоса» керамические плитки для облицовки зданий и фасадные краски с наночастицами. Для того чтобы дочиста вымыть здание, покрытое указанным образом, моющиеся средства не понадобятся. Достаточно простой воды, которая унесёт с собой всю грязь [5].

Американская фирма General Motors использует новую краску для автомобилей, обладающую самоочищающим эффектом. Сильнозагрязненную поверхность машины достаточно полить водой. Легковые автомобили MersedesBenz с лакокрасочным покрытием на основе нанотехнологий отмечены наградой на специализированной выставке Automeсhanika как самые легкомоющиеся автомобили [3].

Разработано самоочищающееся ветровое стекло, внешняя поверхность которого покрыта микроворсинками. На таком стекле «дворникам» делать нечего. Совсем скоро появятся диски для колёс автомобилей с «эффектом лотоса». В любую погоду они будут оставаться чистыми [2].

Водоотталкивающий спрей для обуви Tarrago Nano Protector предохраняет нашу обувь от грязи и влаги.

Авиация вскоре может раз и навсегда избавиться от такой проблемы, как образование наледи на крыльях лайнеров. Лед будет стекать с них как «с гуся вода». Самолеты обрабатывают специальным составом, которые не позволяют воде скапливаться на поверхности крыла [8].

Кстати, российские ученые в деле спасения линий электропередач больше надеяться на «эффект лотоса», а не на сверхпроводимость. Очень важное направление применения эффекта в электроэнергетике – борьба с налипанием снега и льда на электропровода.

Гипотеза водонепроницаемости

Иногда исследование проводится для того, чтобы проверить работоспособность уже существующей инженерной идеи. Гипотеза, которую мы проверили в этом эксперименте, связана с эффектом непромокаемости ткани [1].

Существует множество способов придания ткани гидрофобных (непромокаемых) свойств. Приведем рецепты изготовления водоотталкивающих наноповерхностей (см. приложение 3).

В работе мы попытались выяснить, насколько эффективны решения проблемы защиты от воды, предлагаемые учёными и современными производителями наноспреев. Мы провели несколько опытов по нанесению самодельного водоотталкивающего покрытия на ткани и испытали качество наноаэрозоля, продаваемого в магазине. Таким образом, мы сможем сравнить, насколько эффективны решения проблемы защиты от воды, предлагаемые учёными и производителями. И те, и другие покрытия используют эффект создания наноповерхностей, с которых капли воды скатываются подобно тому, как они скатываются со свежего капустного листа или утиного пера.

Нам понадобится два тканевых образца, мы будем использовать новые хлопчатобумажные лоскуты ткани для точности эксперимента.

Этапы эксперимента

Один образец пропитывается жидкостью по рецепту №4 Приложения 3.

На второй образец наносится водоотталкивающий наноспрей (его можно купить в обувном магазине или магазине хозяйственных товаров). Например, «SALTON», или любой другой.

После того как оба образца готовы, их можно испытывать. Показателем того, что материал обладает хорошим водоотталкивающим эффектом, будут спички. Мы проверим, сохранят ли они свою способность воспламеняться после нескольких часов пребывания в воде. Если сохранят, значит наноповерхность «работает».

Четыре спички, расположенные головками в две противоположные стороны, плотно складываются между собой и заворачиваются в ткань в несколько слоев.

Это делается с обоими образцами ткани: тем, который пропитан «самодельным» способом, и тем, на который нанесён наноспрей. Чтобы исключить разворачивание ткани в воде и попадание воды через сгибы, образцы обматываются хлопчатобумажной ниткой. Получаются своего рода «коконы», внутри которых находятся по 4 спички.

Таким образом, изготавливается «испытательная пара» образцов для хранения спичек в экстремальных условиях. Таких пар для всего эксперимента понадобится шесть: по три пары на каждый рецепт. Три пары нужны для того, чтобы можно было погружать «спичечные коконы» в жидкость на разные интервалы времени и таким образом устанавливать максимальное время водоотталкивания. Время испытаний каждой пары распределено на три серии: 24 часа, 48 часов и 72 часа. По окончании каждой серии оба «кокона» разворачиваются и спички проверяются на воспламенение с помощью обычного коробка [1].

Что понадобится для исследования?

Хлопчатобумажная ткань 30×30 см (2 образца); 2 миски; стеклянный стакан; палочка деревянная; мерные ёмкости для воды; туалетное мыло — 60 г; мел; уксус столовый; спички; водоотталкивающий спрей «SALTON», создающий нанопокрытие. Все необходимые материалы для опытов имеются дома, поэтому финансовые затраты нужны лишь для приобретения спрея, который был куплен в магазине за 260 рублей.

Водоотталкивающий состав

Результат через 24 ч.

Результат через 48 ч.

Результат через 72 ч.

Примечание

Кальциевое мыло

спички горят

спички горят

Спички не горят

В результате практического исследования выяснилось, что эффект водонепроницаемости кальциевого мыла слабее чем у спрея. Производители, заботясь о репутации не обманывают потребителя.

Наноспрей

спички горят

спички горят

спички горят

Заключение

В работе мы создали гидрофобные покрытия различными способами и проверили их водонепроницаемые свойства с помощью спичек.

Нам удалось выяснить причину несмачиваемости некоторых поверхностей. Этот эффект обусловлен наличием на поверхности мельчайших наночастиц, благодаря которым жидкость не задерживается на поверхности, а стекает, увлекая за собой и загрязнения.

Кроме того, мы рассмотрели практическое применение «эффекта лотоса». «Эффект лотоса» – уникальное природное свойство цветка. Оно может быть использовано, и в быту, и в промышленности.

Непромокаемые ткани и материалы имеют очень широкое применение:

- повседневная одежда и обувь для непогоды, спортивная одежда и обувь,

- спецодежда, например, защитные комбинезоны, плащи, накидки, фартуки,

- тенты, палатки, зонты, навесы для защиты от непогоды,

- предметы быта: скатерти, занавески, мебель, уличная мебель, сумки и туристические рюкзаки.

Ученые добились определенных успехов, копируя природу, производители, понимая выгоду изобретения, внедряют результаты исследований в производство. Возможно, вскоре такие покрытия заменят множество известных и привычных, и, может быть, даже наши зонтики уйдут в прошлое.

Библиография

  1. Азбель А. А., Илюшин Л. С. Тетрадь кейсовых практик. Часть 1. Опыт самостоятельных исследований в 8-9 классах. — СПб.: Школьная лига, 2014;

  2. Алфимова М.М. Занимательные нанотехнологии. – М.: Парк-медиа: Бином. Лаборатория знаний, 2011;

  3. Балабанов В.И. Нанотехнологии. Наука будущего. – М.: Эксмо, 2009;

  4. Берг Рав «Нанотехнология преобладания сознания над материей», 2011;

  5. http://www.b2b.in.ua/images/articles/original/art_lotos_nano.jpg;
  6. http://www.b2b.in.ua/images/articles/original/drop-of-water-on-a-leaf.jpg;
  7. http://nanodigest.ru/content/view/814/39/;

7.http://www.newstube.ru/media/ehffekt-lotosa-sdelaet-polety-bezopasnee;

  1. Озерянский В.А. Познаем наномир: простые эксперименты. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012;

  2. Рыбалкина М. «Нанотехнологии для всех», 2005;

  3. Самесов Д. «Спортивное рыболовство», №11. — Ноябрь, 2008;

11. http://tarrago.com.ua/zashhita/tarrago-universalnaja-nano-propitka.html;

12. http://www.tempstroy.ru/materials/teplo/lotusan.shtml.

Приложение 1

Виды ткани

Синтетические ткани:

Нейлон

Эластан

Микрофибра

Флис

Приложение 2:

Приложение 3:

Рецепты приготовления водонепроницаемых тканей

1-й рецепт. 100 г детского мыла, натертого на крупной терке, растворяют при нагревании до 60-70 °С в 3 л воды; в этот горячий раствор на 20-30 минут погружают ткань для пропитки. Потом ткань вынимают и слегка прополаскивают холодной водой, после чего опускают на 20-30 минут в теплый 10%-ный раствор алюмокалиевых квасцов. Затем материал снова прополаскивают в холодной воде и повторяют обработку раствором мыла и раствором квасцов, выдерживая ткань в каждом растворе по 10-15 минут. При такой обработке в порах материала образуется нерастворимое "алюминиевое мыло" - стеарат алюминия Al (C17H35COO)3. Первый раз материал прополаскивают водой, чтобы алюминиевое мыло осело внутри, -иначе, если осадок задержится на поверхности, доступ квасцов в поры ткани будет закрыт.

Данным рецептом мы не смогли воспользоваться, в связи с тем, что не было возможности приобрести алюмокалиевые квасцы (отсутствие в школьной химической лаборатории, аптеках поселка Переяславка и города Хабаровска, интернет предлагает только оптовые поставки из Китая и Ростова на Дону).

2-й рецепт. Хороший результат дает пропитка ткани льняным маслом, однако полное высыхание (связанное с полимеризацией молекул триглицеридов непредельных карбоновых кислот, входящих в состав масла) длится 3-4 недели. Учитывая, что обработка должна быть как минимум двукратной, для нас данный рецепт не подходит в силу продолжительности.

3-й рецепт. Покрыть ткань с помощью кисточки раствором полиметилметакрилата (органического стекла) в растворителе на основе ацетона (№ 647) из расчета 20 г оргстекла на 0,5 л растворителя, и высушить ткань на ветру. Данный рецепт не может быть использован, так как эксперимент проходит в домашних условиях, а данный раствор огнеопасен!

4-й рецепт. «Для получения непромокаемого полотна вымачивать в течение дня материал в холодном растворе ацетата кальция. Для его получения растворить карбонат кальция (кусочки мела, мрамора) в столовом уксусе до прекращения выделения пузырьков углекислого газа. Слить раствор с осадка и разбавить его чистой водой вдвое. Ткань отжать и высушить при 60°С. Затем положить её в мыльный раствор, состоящий из 10 г мыла и 200 мл воды, снова отжать и высушить при 40°С. Наконец, вторично погрузить в первый раствор, отжать и высушить».