Кейс «Наномембрана»
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 26 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». 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) (прозводитель Asahi Chemical); • Triple Point Ceramic (производитель Unikita Japan); • Breathe (производитель UCB Chemical); • Drycoat (производитель MontBell America); • Windtex (производитель Vagotex Italy).
Что нужно делать?
Иногда исследование проводится для того, чтобы проверить работоспособность уже существующей инженерной идеи. Идея, которую мы предлагаем тебе проверить в этом эксперименте, связана с эффектом непромокаемости ткани. Существует множество способов придания ткани гидрофобных (непромокаемых) свойств. Серия будет состоять из двух опытов по нанесению самодельных водоотталкивающих покрытий на ткань. Кроме этого, тебе предлагается испытать качество гидрофобного аэрозоля, продаваемого в магазине. Таким образом, ты сможешь 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. Тебе понадобится четыре одинаковых тканевых образца. Можно использовать как хлопчатобумажные носовые платки, так и лоскуты ткани на основе льна или хлопка. Советуем не использовать старые и ветхие ткани, так как точность эксперимента в этом случае может быть нарушена наличием в ткани дефектов, которые не сможет «закрыть» водоотталкивающее покрытие. Суть эксперимента Один образец пропитывается жидкостью по рецепту, который будет приведён ниже. На второй образец наносится водоотталкивающий наноспрей (его можно купить в обувном магазине или магазине хозяйственных товаров). Например, «Collonil», 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. Если какой-то образец ткани остался непроницаем для воды через 72 часа, оставьте образец в воде и понаблюдайте ещё некоторое время.
Далее приведены рецепты изготовления водоотталкивающих наноповерхностей.
1-й рецепт
«Для получения непромокаемого полотна вымачивайте в течение дня материал в холодном растворе ацетата кальция. Для его получения растворяйте карбонат кальция (кусочки мела, мрамора) в столовом уксусе до прекращения выделения пузырьков углекислого газа. Слейте раствор с осадка и разбавьте его чистой водой вдвое. Ткань отожмите и высушите при 60°С. Затем положите её в мыльный раствор, состоящий из 10 г мыла и 200 мл воды, снова отожмите и высушите при 40°С. Наконец, вторично погрузите в первый раствор, отожмите и высушите».
2-й рецепт
«В 1 л воды растворите при лёгком помешивании 30 г мыла, нагревая раствор до 60–70°С. В тёплый раствор погрузите обрабатывающий материал. Через 20–30 мин достаньте его, слегка прополощите холодной водой и погрузите на 20–30 мин в тёплый 8–10% раствор алюмокалиевых квасцов (квасцы можно купить в интернет-магазине или попросить в школьной химической лаборатории). Затем материал хорошо промойте в холодной воде, опять погрузите на 10–15 мин в тёплый раствор мыла и на 10–15 мин в раствор квасцов. При такой обработке в порах материала образуется нерастворимое алюминиевое мыло. Первый раз материал прополаскивают водой для того, чтобы алюминиевое мыло проникло внутрь материала, иначе оно задержится на поверхности, и дальнейший доступ квасцов внутрь прекратится. Второй раз промывают водой, чтобы удалить избыток квасцов, затем высушивают».
• Хлопчатобумажная ткань (носовые платки) 8×8 см; • Фотографическая кювета или пластиковый поддон; • Стеклянный стакан; • Несколько металлических ёмкостей для нагрева; • Длинные пинцеты; • Палочка стеклянная; • Мерные ёмкости для воды; • Хозяйственное мыло — 60 г; • Алюмокалиевые квасцы или нитрат алюминия — 200 г; • Сода — 10 г; • Стеарин — 100 г; • Спички; • Водоотталкивающий спрей «Collonil», создающий нанопокрытие, или аналогичный продукт, представленный на рынке.
Кейс «Внимание, коррозия!»
Столичные учёные разработали новый способ борьбы с коррозией. Применять достижения отечественной науки можно во многих областях — от автопрома до жилищно-коммунального хозяйства. Как сделать машины, трубы, гвозди долговечнее? Специалисты научились эффективно бороться с коррозией. Новые технологии теперь позволяют выпускать металл, который будет служить на порядок дольше существующих образцов. Некоторые крупные предприятия уже сегодня используют в производстве разработки российских учёных. «Все эти разработки находят реальное применение в промышленных условиях. На их основе выпускаются определённые составы, которые действительно применяются для т.н. «пассивации» металлов, для обработки различных систем водоснабжения, водоохлаждения», рассказывает аспирант Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Александр Чиркунов. Новое покрытие, созданное на основе нанотехнологий, защищает металл от вредного воздействия окружающей среды в десятки раз лучше, чем, например, обычная полимерная краска. Плёнка, которая покрывает металл, настолько тонкая, что её не увидишь невооружённым глазом. В лабораториях Института физической химии и электрохимии молодые учёные продолжают исследовать свойства новых материалов. «Метод элипсометрии позволяет изучать тонкие наноразмерные плёнки на металле, и благодаря этим данным мы можем прогнозировать формирование наиболее эффективных защитных слоёв на металлических поверхностях для защиты от коррозии», — объясняет научный сотрудник института Галина Редькина. Сложные формулировки научных сотрудников на практике выглядят так. К примеру, металлическая водопроводная или канализационная труба в земле быстро изнашивается. Десяток лет — и такой трубопровод нужно заменять. Но труба, которую покрыли защитной плёнкой на основе наноматериалов, сохранится на порядок дольше. Значит, и течь давать будет реже. Такие защитные средства сегодня применяют в основном в оборонной промышленности. Но их можно использовать везде, где используется металл — от автопрома до строительства.
По некоторым данным затраты экономики от «простой» коррозии металлов составляют 5% от ВВП. Что нужно делать? Коррозия — сложный процесс взаимодействия металла с окислителем. Учёные исследуют этот процесс, используя современные способы наблюдения за поведением вещества на поверхности и внутри структуры металла. Коррозия, или, говоря бытовым языком, ржавчина образуется по-разному в различных условиях. Целью эксперимента, который мы тебе предлагаем провести, является установление зависимости протекания коррозии от той среды (условий), в которой находится металл.
Главным объектом эксперимента в этом исследовании будут гвозди. Это связано с тем, что, во-первых, можно гарантировать одинаковость всех образцов, которые нам потребуются. Во-вторых, обычные строительные гвозди не имеют антикоррозионного покрытия (на всякий случай можно уточнить этот факт при покупке гвоздей в строительном магазине). В-третьих, налёт ржавчины на гвозде хорошо виден, и его легко измерить по длине гвоздя.