Какие исследования российских учёных способны дать толчок развитию новых направлений в отечественной текстильной и лёгкой промышленности? Мы собрали несколько примеров того, чем занимаются молодые аспиранты и уважаемые профессора в ведущих вузах страны.
Новое поколение полимеров получают методом крейзинга
В лаборатории структуры и механики полимеров МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством ведущего научного сотрудника, кандидата химических наук Ольги Аржаковой разработана оригинальная стратегия высокоэффективной структурно-механической модификации полимеров для создания нового поколения мезопористых и нанокомпозиционных волоконных полимерных материалов с уникальными функциональными и физико-химическими свойствами на базе промышленных полимеров, таких как полиэтилен, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, полипропилен, полиэфиры, включая полиэтилентерефталат как основной полимер для текстильной промышленности, полиамиды и пр. Работы ведутся при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 20‑13‑00178).
В основе предложенного подхода структурно-механической модификации лежит фундаментальное научное явление крейзинга как особого вида пластической деформации и самоорганизации полимеров с развитием значительной объёмной пористости (до 70 %) и размерами пор в нанометровом диапазоне (до 20 нм). Предложенная научно-обоснованная концепция носит универсальный характер и применима для модификации широкого круга полимеров в виде волокон, плёнок, нетканых материалов, лент, трубок.
Области практического применения такого рода материалов включают в себя создание инновационных текстильных дышащих, паропроницаемых и гидроизоляционных материалов для комфортной одежды, материалов с эффектом лотоса, материалов технического назначения, включая геотекстильные, упаковочные материалы и пр. На базе предложенной стратегии разработаны принципиально новые подходы к созданию нанокомпозиционных полимерных волоконных материалов с целым комплексом уникальных свойств за счёт введения различного рода функциональных добавок.
Например, полученные нанокомпозиционные волоконные материалы с наночастицами серебра (3 нм) за счёт высокой поверхности контакта отличаются высокими антибактериальными свойствами по отношению к широкому кругу патогенных организмов. Данный подход позволяет получать волоконные материалы с различными красителями (как способ окрашивания волокон), биомедицинскими препаратами для придания антибактериальных и лечебных свойств, отдушками, УФ-стабилизаторами, репеллентами, а также с наночастицами металлов. Такого рода материалы могут найти широкое применение в лёгкой промышленности как «умные» текстильные материалы для комфортной одежды, как материалы для набивки подушек и мебели, материалы косметического назначения и пр.
Биоразлагаемый нетканый материал — из свёклы или тростника
Полина Тюбаева, кандидат химических наук, старший преподаватель кафедры «Химия инновационных материалов и технологий» РЭУ им. Г. В. Плеханова, занимается исследованием полигидроксибутирата — высокомолекулярного соединения природного происхождения. Его получают методом бактериологического синтеза, то есть бактерия-продуцент в процессе жизнедеятельности производит гранулы полимера, которые извлекаются и преобразуются в материал для производства полимерных изделий. Основой для производства полигидроксибутирата служат сельскохозяйственные отходы, например, от производства сахарной свёклы или сахарного тростника.
«Мы сотрудничали с коллегами из Германии, они предоставляли нам полимер для исследований, — рассказывает Полина Тюбаева. — Однако сейчас мы работаем с отечественным материалом, который производится в Пущино, Москве и Новосибирске. В нашей лаборатории мы перерабатываем данный биосовместимый, биоразлагаемый полимер в широкий перечень изделий для медицины: плёночные высокопористые мембраны, нетканые материалы, волокна, нити и др.».
Главным достижением учёных РЭУ следует считать разработку нетканого ранозаживляющего материала с высокими антимикробными свойствами, который разлагается после компостирования в почве за 90 дней в отличие от синтетических аналогов. Кроме того, полученный материал отличается высокой прочностью и стабильностью свойств в течение 3‑6 лет хранения.
У подобных биосовместимых и экологичных нетканых материалов медицинского назначения есть только один недостаток — высокая стоимость по сравнению с синтетическими полимерами (полиэтиленом, полипропиленом), однако цена оправдана экологичностью и высоким потенциалом применения в медицине, в частности в бесшрамном ранозаживлении, хирургии, протезировании.
«Сейчас мы начали работу по удешевлению производства созданного нами материала совместно со специалистами из Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины, — продолжает свой рассказ Полина. — Наша разработка позволит обеспечить быстрое импортозамещение инновационных ранозаживляющих материалов, так как не требует сложного технического оснащения. Технология производства наших материалов может быть реализована на типовом оборудовании, применяемом в лёгкой промышленности для создания нетканых полимерных материалов».
Лён, конопля и яблочная кожура как сырьё для синтетической кожи
Елена Бокова — доктор технических наук, профессор кафедры химии и технологии полимерных материалов и нанокомпозитов РГУ им. А. Н. Косыгина, лауреат премии правительства РФ в области науки и техники 2021 года, Оксана Веселова — руководитель Ресурсного инновационного центра биодизайна и бионаноматериалов этого вуза, а также Ольга Бояринова — основатель инновационного бренда Boyari, создаваемого из AppleSkin, активно работают над модернизацией традиционных технологий производства синтетических кож обувного и одёжного назначения путём использования в рецептурах возобновляемых природных компонентов.
Состав и строение большинства искусственных и синтетических кож позволяют рассматривать их как объект для модификации, направленной как на видоизменение состава и структуры волокнистых основ, так и самого полимерного связующего, в том числе в направлении их гидрофилизации, обеспечивающей комфорт при эксплуатации готовых изделий.
Одним из подходов к модификации является использование смесок, содержащих наряду с синтетическими компонентами адсорбирующие волокна природного происхождения, такие как лён, бамбук, коллаген, вспушённая целлюлоза, конопля и др. Наиболее перспективными из них являются льняные и конопляные. Эти культуры, по сравнению с хлопком или целлюлозой, гораздо легче культивируются, требуют при выращивании меньше воды, гербицидов, пестицидов и других удобрений. Кроме этого, их применение позволяет ограничиться операцией механической котонизации и не требует дорогостоящей операции отбеливания, а само производство нетканых основ может осуществляться по традиционной технологии иглопробивным способом с последующей термообработкой.
Ещё одно направление модификации связано с использованием наполнителей природного происхождения, в качестве которых могут выступать такие экзотические продукты, как яблочный либо иной фруктовый пектин. Этот продукт переработки является традиционным для России (территория Крыма, Краснодарский край) и производится в промышленном масштабе из отходов яблочной кожуры.
На базе РГУ им. А. Н. Косыгина создан научно-практический задел в области производства конкурентоспособных синтетических кож обувного и одёжного назначения, который может быть использован в качестве теоретической основы и прогнозных моделей для проектирования и организации производства инновационного ассортимента синтетических материалов.
Химики, медики и биологи, объединяйтесь!
В Институте химических технологий и промышленной экологии РГУ им. А. Н. Косыгина доктор химических наук, профессор Наталия Кильдеева и доктор медицинских наук, профессор Ирина Василенко проводят междисциплинарные исследования, направленные на объединение фундаментальных разработок в таких областях, как химия, биология и медицина. Их реализация связана с объединёнными усилиями специалистов-химиков, создающих инновационные биополимерные композиты, техников, обеспечивающих детальную характеристику физико-химических и поверхностных свойств полимерных композитов, и медиков-биологов, обеспечивающих изучение и анализ биологических свойств полимерных композитов в условиях In vitro и In vivo.
Применение оригинальных технологических подходов с использованием известных биополимеров позволяет разрабатывать инновационные композиты с уникальными заданными свойствами, полученными в результате их модификации, такими как антибактериальная и противовоспалительная активность, резистентность к колонизации бактерий и свёртыванию крови, отсутствие выделения в организм человека токсичных веществ, устойчивость к механическим нагрузкам, биоинертность в среде живого организма и т. д.
К настоящему времени в результате проведённой экспериментально-исследовательской работы получены данные, открывающие перспективы местного клинического применения новых медицинских биополимеров в виде шовного материала и лечебных аппликаций для снижения риска развития гнойно-септических осложнений и стимуляции репаративной регенерации мягких тканей при обширных приобретённых дефектах.
Как использовать полисахариды для 3D-печати?
Одной из инновационных технологий создания новых материалов является 3D-печать. Она подразумевает послойное изготовление 3D-принтером трёхмерного объекта в соответствии с его цифровой моделью. Учёные ищут новые полимерные системы, пригодные для использования в качестве исходного материала, так называемых чернил, а фактически биополимерной жилки, удовлетворяющей технологическим требованиям аддитивного производства. Полисахариды широко доступны, нетоксичны, биоразлагаемы, биосовместимы, химически универсальны и функциональны по своей сути, однако они не термопластичны и не могут быть переведены в размягченное или жидкое состояние, необходимое для получения изделия методом 3D-печати.
На кафедре химии и технологии полимерных материалов и нанокомпозитов РГУ им. А. Н. Косыгина под руководством доктора химических наук, профессора Наталии Кильдеевой коллективом молодых исследователей (аспирантка и ассистент кафедры Василина Захарова, студентка Дарья Калугина) показаны перспективы использования термообратимых гидрогелей в качестве универсальных печатных чернил. На примере полисахаридов агар-агара и каррагинана обоснован и разработан технологический подход к получению биосовместимого гидрогелевого филамента для 3D-печати.
Филамент был получен методом низкотемпературного мокрого формования из горячих водных растворов агара. Формирование анизотропных филаментов проводили внутри силиконовых трубок миллиметрового диаметра. Условия формования установлены на основании исследований фазовых переходов, концентрационно-температурных зависимостей динамической вязкости. Образование физически сшитых гидрогелевых чернил происходило при понижении температуры посредством формирования системы водородных связей и структурирования полимера в виде устойчивой термообратимой трёхмерной сетки.
Получены значения энергии активации процессов гелеобразования агар-агара различной концентрации и ионной силы раствора, что позволило установить условия переработки полученных термообратимых чернил (биополимерной жилки) в биоискусственные матриксы для тканевой инженерии методом 3D-печати. Полученные из полисахаридов с помощью аддитивной технологии 3D-печати гидрогелевые материалы имитируют естественную среду организма и таким образом способны обеспечить оптимальные условия для роста и регенерации живых тканей и впоследствии деградировать под действием биологических сред.
Отечественная программа 3D-проектирования — это реально
Игорь Тюрин, директор Инжинирингового центра РГУ им. А. Н. Косыгина, считает, что «для диверсификации отрасли в период санкций необходимо тотальное применение цифровых технологий». В России все швейные предприятия до сих пор используют 2D-программы в качестве инструмента проектирования. Ускорить процесс может внедрение 3D-САПР и систем виртуальной примерки одежды.
Разработка отечественного аналога, замещающего зарубежные системы САПР, является одним из наиболее перспективных направлений. Университетом имени А. Н. Косыгина впервые в нашей стране была разработана концепция и основные алгоритмы 3D-моделирования одежды ещё в конце 90‑х годов.
В последующие годы работа в этом направлении не прекращалась. Косыгинцам пришлось преодолеть множество трудностей, связанных, в частности, с визуализацией огромного количества существующих текстильных материалов, с адаптацией технологий трёхмерного сканирования для снятия размеров фигуры человека. В настоящее время ведётся активная работа над созданием системы полноценного проектирования в трёхмерном пространстве, внедрение которой позволит успешно диверсифицировать этот сектор задач в лёгкой промышленности.