Мост между химией и текстилем

Химические волокна (здесь и далее подразумевается общепринятое понятие, включая штапельные волокна и жгут, комплексные и плёночные нити, мононити и т. п.) — по сути, главный мост, соединяющий химическую и текстильную индустрии, во многом определяющий развитие их производства и потребление. В среднем в России около 80 % химволокон уходит на нужды текстиля. К сожалению, этот мост находится сегодня в полуразрушенном состоянии.

Ни науки, ни производства

Если во времена СССР мощность волоконного производства превышала 1,5 млн тонн в год (из неё половина приходилась на РСФСР), то последние сводки свидетельствуют о том, что производство химволокон в нашей стране по сравнению с началом 1990‑х годов сократилось почти в 4 раза, более 50 % их потребления приходится на импорт (2,3 % от объёма импорта всего химического комплекса России), в то время как экспорт крайне низок (7 %).

Из 17 предприятий, выпускавших химические волокна на территории РСФСР, ныне достойно функционирует, пожалуй, только одно — ПАО «КуйбышевАзот», остальные либо исчезли, либо пытаются остаться (признаем, подчас небезуспешно) на плаву («Газпромхимволокно» в г. Волжске, «Курскхимволокно», «Каменскхимволокно», «Сертов», г. Серпухов, «Завидово-Текс», Тверская область). В то же время появилось более 70 мелких производств, размещённых чаще всего на текстильных предприятиях (практически не принимающих участия в региональной стратегической отчётности по химволокнам) и выпускающих в небольших объёмах полиэфирное (ПЭФ) штапельное волокно из вторичного «бутылочного» гранулята полиэтилентерефталата (ПЭТ), полипропиленовые (ПП) плёночные нити и др.

Итоги первого полугодия 2021 года всё же внушают определённый оптимизм: за указанный период было выпущено 112,1 тысяч тонн химических волокон, или на 29,3 % выше уровня производства этой продукции за аналогичный период 2020 года, главным образом за счёт увеличения выпуска синтетических волокон на 33,8 %. Столь очевидный скачок произошёл благодаря приросту выпуска химволокон на предприятиях всех округов РФ: Северо-Кавказском (на 75,2 %), Приволжском (на 66,5 %), Южном (на 46,6 %), Северо-Западном (на 40 %), Сибирском (на 21,6 %) и Центральном (на 14,2 %). Правда, в абсолютном выражении (в тоннах, к концу текущего года) это не вносит существенных изменений в печальную картину, отмеченную выше, по сравнению с доперестроечными объёмами.

Наиболее значимыми проблемами волоконной подотрасли, которые необходимо решать в первую очередь, являются две — производственная и научно-исследовательская. Первая требует создания крупных мощностей по ПЭФ-волокнам, в частности штапельному и жгуту, как магистральной альтернативы хлопку и шерсти, острый дефицит и серьёзные валютные издержки в которых постоянно испытывает перерабатывающая индустрия в РФ. Попытками создания таких комплексов безуспешно занимались в предыдущие годы многие российские компании: «Иворгсинтез» (Ивановский кластер), «Со-ПЭТ» (Казань), «Аврора ПАК» (Уфа), ООО «Завод чистых полимеров «Этана» (Кабардино-Балкария), периодически всплывал и исчезал СИБУР и др. Результаты этих попыток, к сожалению, плачевные, а в цифровом выражении — нулевые.

Столь непродуктивные усилия обусловлены прежде всего зацикливанием на выпуске уже всем надоевшего и не совсем комфортного для здоровья ПЭТ (полиэтилентерефталат) для бутылок и полное игнорирование мировых тенденций и нужд собственного рынка, требующих развития ПЭТ для высокоприбыльных перерабатывающих отраслей современного хозяйства. Кстати, в Китае, как и в мире в целом, на бутылки расходуется не более 1 / 3 производимого ПЭТ, остальные 2 / 3 — на волокна. У нас почему‑то это соотношение 9:1 в пользу бутылочного ПЭТ. Приведу другой пример в части неоспоримого преимущества волоконного ПЭТ: китайский экспорт текстиля, в котором более 70 % в качестве сырья присутствуют ПЭФ-волокно, в 2017 году составил 267 млрд долларов США, что превышает доходную часть бюджета России на 2018 год и близко к уровню запланированного на 2021‑2022 годы.

В качестве второй проблемы мы указали на состояние научно-исследовательского сектора подотрасли химических волокон. Нет былой активности и полезной деятельности в теоретических и практических изысканиях в ведущих отраслевых научно-исследовательских центрах: НПО «Химволокно» (ныне ООО «Лирсот», г. Мытищи) и ВНИИСВ (г. Тверь), в научных и учебных заведениях сопутствующих направлений. Когда‑то НПО «Химволокно» (на базе ВНИИВа), где под руководством профессоров Г. И. Кудрявцева, А. А. Конкина, С. П. Папкова, М. И. Зверева и других были созданы и внедрены принципиально новые волокнистые материалы специального, в том числе оборонного назначения, углеводородные (для высокоэффективных композитов), арамидные (высокомодульные и сверхтермостойкие), ионообменные (для высокочувствительной фильтрации жидкостей и газов) и т. п., ставшие гордостью советской науки. А сегодня это пустынная с неработающими установками площадка, существующая в основном за счёт сдачи в аренду лабораторных и опытно-производственных помещений.

Нетканка задаёт тон

Наглядный пример преодоления вышеназванных проблем — производство нетканых материалов (НМ), организованное либо на химических (ОХК «Щёкиноазот», «Химволокно» в г. Серпухове, Могилёве, Светлогорске, Твери, Елабуге и т. д.), либо на текстильных предприятиях (АО «Комитекст» в Сыктывкаре, ООО «Котовский завод», ООО «Технолайн» в Самарской области, ООО «Номатекс» г. Новая Майна и многие другие). На них используются как физико-химические методы производства (мельтблаун, спанбонд и их сочетания при фильерно-раздувном формовании из расплава полимеров, например: ПП, ПЭТ, спанлейс и др.), так и текстильно-технологические (кардинг, спанлейс, изготовленные путём расчёсывания и иглопробивания синтетических штапельных волокон от 1,7 до 17 дтакс и длиной резки от 25 до 150 мм). Поэтому сегодня НМ служат объединяющим началом двух ведущих отраслей современного хозяйства, и они способны «привести под венец» химические волокна и перерабатывающую сферу, обуславливая тем самым бурное их развитие не только в мире, но и в России.

Мировой спрос на НМ в 2018 году составил около 10 млн тонн. При этом в развивающихся странах темпы роста в два с лишним раза выше, чем в США и Западной Европе (3 % в год), Японии (2 %), а на Китай приходится почти половина мирового прироста (7 %). Лидирующей технологией производства НМ является холстообразование при фильерно-раздувном формовании из расплава полимеров (спанбонд, мельтблаун), темпы роста потребления которых в 2020 году составили 7,3 %, достигнув 6,3 млн тонн, то есть более половины всех видов НМ в мире.

Вторая по размеру технология — текстильное холстоформирование (чесальное в сочетании с аэродинамическим или гидроструйным). Доля НМ, полученных по классическому кардинговому способу, постепенно снижается, уступая двум первым — более производительным и экономически эффективным. Источники сырья для производства НМ распределены в мире следующим образом: полимеры (чаще ПП и ПЭТ) и их производные (в виде гранулята, крошки, рециклинга и т. п.) — 44 %; синтетические волокна — 47 %; целлюлоза (древесная пульпа) — 7 %; остальное — 2 %. Из химических волокон часто используется для НМ: ПЭФ — 37 %; ПП — 36 %; вискозные / лиоцелл — 20 %; биокомпонентные (в качестве склеивающей основы) — 6 %; остальные — 1 %.

Наиболее значимые области применения НМ промышленного назначения в мире включают строительство зданий и сооружений, гео- и агротекстиль, автомобилестроение, фильтрация и др. В области бытового назначения, например в Европе, остаётся рынок гигиены и медицины (особенно резко он вырос в последнее время в связи с ростом спроса на защитные маски и респираторы), а также НМ для обтирки и персонального ухода, напольных покрытий, в сфере производства пищевых продуктов и напитков. Производителями НМ являются более 20 европейских государств, перерабатывающих сырьё в виде штапельных химических волокон, которые поставляют примерно 60 различных компаний, в том числе 15 — из Германии, 7 — из Бельгии и т. д.

Сложившуюся удачную ситуацию на мировом рынке НМ, к счастью, понимают и в России. В последнее время, особенно в 2012‑2016 годах, ежегодные темпы роста производства и потребления НМ в нашей стране характеризуется двухзначными цифрами — и это разве не подтверждение слияния научно-технических «вкусов» химиков и текстильщиков? Хотя в абсолютном объёме мы пока ещё отстаём от ведущих стран (Китай, Германия, США, Япония, Турция и др.). Например, только за 2016 год производство НМ всех видов выросло на 26,6 % и достигло около 4 млрд м2, а в 2020 году, по предварительным оценкам «Союзлегпрома», — более 6 млрд м2. В настоящее время НМ стали преобладающим сырьевым источником для изготовления антивирусных масок для борьбы с COVID-19. Для этих же целей в «Щёкиноазот» запланировано новое производство многослойного (спанбонд-мельтблаун) НМ медицинского назначения мощностью 8640 тонн в год с суммой инвестиций более 500 млн рублей и сроком реализации в июле 2023 года.

Несмотря на известные трудности со стандартным полимерным и волокнистым сырьём, российский рынок НМ продолжает развиваться, изыскивая новые рациональные источники сырья. Так, значительная часть (около 70 %) ПЭФ-волокна грубых титров (8‑17 дтекс), получаемого из флексов (хлопьев) отработанных ПЭТ-бутылок, идёт на изготовление НМ материалов различной поверхностной плотности (как тут не вспомнить напутствие великого Д. И. Менделеева о том, что в «химии нет отходов, а есть неиспользованное сырьё, уничтожение которого равносильно сжиганию денег»).

Волоконный мир будущего

Химические волокна по своим функциональным свойствам, потенциально скрытым в их строении, составе и структуре, далеко не исчерпали свои возможности и заметную роль в техническом прогрессе смежных отраслей. Методы физической и химической модификации (четвёртое поколение волокон по классификации выдающегося учёного З. А. Роговина) таят в себе многие перспективные направления их использования, недоступные другим полимерным материалам (пластмассы, плёнки, лаки, смолы и т. п.). Наиболее важные из них — углеродные и арамидные волокна (в разработке и освоении которых отечественная наука, в первую очередь благодаря выполнению оборонных заказов, занимает одно из ведущих мест в мире) для композиционных материалов (КМ) в самолёто-, авто-, судо- и ракетном машиностроении. Создание «умных» супертканей, способных вырабатывать тепло, свет и электричество, измерять температуру (вместо неудобных и дорогостоящих тепловизоров) и жизненные функции, залечивать раны и уменьшать боль, в том числе в послеоперационный период (рассасывающиеся хирургические нити, например, из РLА). Если взять пандемию коронавируса, то эффективность борьбы с ней можно усилить, изготавливая маски и спецодежду из спанбонда и мельтблауна на основе ПП и вводя при этом внутрь или на поверхность волокнистой субстанции лекарственные или антивирусные препараты. С помощью полых синтетических волокон, например из полисульфона или полиметилпентена, возможно изготовление мембранного устройства, применяемого в аппаратах, где требуется повышенное содержание кислорода (типа ИВЛ) или в оксигенаторах.

Заманчивое будущее у бикомпонентных волокон (БКВ) структуры «ядро-оболочка» (электропроводящие нити для полупроводников и антистатичного текстиля) и «бок о бок» (объёмный трикотаж и волокна-наполнители типа лебяжьего пуха), «острова в океане» (искусственная кожа для модельной обуви) и т. д. В области спорта представляют интерес специальные футболки, где с помощью миниатюрных сенсорных датчиков, встроенных в волокна, измеряют частоту сердечных сокращений, кровяное давление, пульс и дыхание, шаговую интенсивность при ходьбе и т. д. — практически всё, кроме допинга.

«Умный» текстиль находит применение в строительстве (безопасная одежда в виде подушки, мгновенно заполняемой газом в аварийной ситуации, например при падении; армирование бетона синтетическими волокнами или НМ; дорожная сигнализация «светящимися нитями» и т. п.). В энергетике он привлекает внимание перспективой выработки электроэнергии из химволокон, в частности из тонких пьезоэлектрических нитей, сформированных в виде бесконечных филаментов, сердечник (ядро) которых состоит из наполненного сажей ПП, и они могут в последующем использоваться для вшивания в ткани или вышивания на них.

В результате растяжения, давления и вибрации, которые возникают, когда их применяют в качестве сенсоров, вырабатывается электрическое напряжение. Сочетание многокомпонентных пьезоэлектрических нитей, как утверждают немецкие учёные, должно обеспечить богатый «электрический урожай». Компания Oerlikon Neumag, с которой автор настоящей статьи сотрудничает более 50 лет и которая хорошо известна российским предприятиям как поставщик высококлассного оборудования для производства химических волокон (преимущественно для формования, вытяжки и текстурирования синтетических нитей), будучи интеллектуально на передовых позициях и в технологии, выступила инициатором проекта по созданию процесса трёхмерной печати на классических или инновационных тканях, что обеспечит дополнительную привлекательность и продвижение товара.

Эксперты считают, что подобные сценарии с «умным» текстилем, иногда кажущиеся фантастикой, станут возможными в течение грядущих 10‑15 лет, а по ряду из них в настоящее время ведутся исследования, и число таких разработок постоянно увеличивается, прежде всего в Западной Европе, США и Юго-Восточной Азии, где они либо уже успешно реализуются на рынке, либо находятся близко к тому. Прогнозируется огромный рост «умного» текстиля в мировом масштабе: с 544,7 млн долларов США в 2015 году до 9,3 млрд долларов в 2024 году, то есть почти в 18 раз.

Недалёк тот день, когда начнут делать химические волокна из воды! Последняя не только жизненно необходимый и энергетически важный продукт, но и богатый источник для глубоких физико-химических превращений высокополярных агломератов (типа аморфных доменов) — разумеется, при ещё до конца не осознанных технологических приёмах, одним из которых, мне кажется, может стать волокнообразование при сверхвысоких скоростях формования в сильном магнитном поле. У нас же задача прозаичнее: не забывая об «умном» текстиле, быстрее найти умных людей, способных восстановить научно-производственный потенциал некогда мощной промышленности химволокон и смежных ей отраслей, тем самым обеспечив России достойное место в социальной и экономической сферах современного бытия.