Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Холодная одежда из пластикового пакета

Кандидат химических наук Максим Абаев

Люди издревле использовали одежду, чтобы защитить себя от неблагоприятных условий окружающей среды. Что в веке каменном, что в XXI-м пережить зиму без условных шубы и валенок вряд ли получится. Если зима выдастся суровой, то и количество надеваемых под условную шубу свитеров, штанов и носков можно при желании увеличить вдвое или втрое. Но для сезона весна-лето логика количественного изменения одежды не подходит — даже в самый жаркий месяц мы вынуждены что-то на себя надевать. У тех, кто обязан носить форму или иную спецодежду, свободы выбора и того меньше. Стремясь облегчить своё существование в жару, многие прибегают к кондиционерам. Это приводит к росту потребления электроэнергии и топлива, если речь, скажем, идёт о комфорте стояния в автомобильной пробке. К тому же, кондиционеры не безвредны для здоровья — риск простудиться весьма велик…

В 2016 году суммарное электропотребление систем кондиционирования и охлаждения по всему миру оценивалось в 2300 ТВт•ч. К 2050 году, по прогнозам, этот показатель увеличится приблизительно втрое. Для сравнения, фактическое потребление электрической энергии в России в 2019 году (включая промышленное производство) составило 1075 ТВт•ч. Фото: Nico Kaiser/Flickr.com/CC BY 2.0.
Каждый житель России ежегодно использует в среднем более 150 одноразовых пакетов, бо'льшая часть которых не попадает в переработку — а это свыше 100 000 тонн потерянного полимерного сырья. Фото Натальи Домриной.
Обычный чёрный полиэтиленовый пакет для мусора непрозрачен для видимого света, но хорошо пропускает волны инфракрасного диапазона — для них он прозрачен, как стекло. На втором фото, которое снято на камеру, чувствительную к дальней части инфракрасного спектра (для наглядности оно сделано псевдоцветным), отчётливо видна рука мужчины. Фото: NASA/IPAC.
Фотография нанопористой полиэтиленовой плёнки, полученная с помощью электронного микроскопа. В 2016 году группа исследователей из Стэнфорда изучила возможности использования нанопористых полиэтиленовых плёнок в качестве материала для «холодной» одежды. Фото: Yi Cui Group, Stanford University.
Примеры вязаного (слева) и тканого (справа) материалов, изготовленных по стандартным технологиям из неокрашенных полиэтиленовых нитей. Фото: Matteo Alberghini et al., Nature sustainability 2021.

Внимание! Даже в одежде и без кондиционера можно охлаждаться более эффективно. Только одежда должна быть специальной!

Есть два основных пути передачи человеческого тепла: теплоотдача во всех её проявлениях и излучение. С первым всё просто: вы своим телом нагреваете окружающий воздух (будем считать, что наш житель или жительница города всё-таки страдает от жары, сидя в помещении, а не барахтается где-нибудь в бассейне). Если вы сядете поближе к работающему вентилятору, то и поток воздуха будет вас эффективнее охлаждать. Выделяющийся на коже пот также способствует охлаждению, поскольку испаряющаяся вода уносит с собой лишнее тепло.

Не стоит скидывать со счетов и второй способ теплопередачи — излучение. Любое нагретое тело испускает тепловые волны, и человеческое тело здесь не исключение. Поскольку температура нашей кожи не превышает тридцати с небольшим градусов Цельсия, то излучаем мы только инфракрасные волны, невидимые глазом, но отлично видимые специальными устройствами — тепловизорами. Количество излучаемого человеком тепла в виде инфракрасных волн примерно такое же, как и количество тепла, отдаваемого за счёт конвекции.

Раз мы излучаем, значит, теряем энергию и, соответственно, охлаждаемся. Что нужно сделать, чтобы этот процесс стал максимально эффективным? Убрать на пути инфракрасных волн любые препятствия. Тут полностью подходит аналогия с обычным светом. Но! Разные материалы в различной степени прозрачны для разных длин волн. Например, материал может быть непрозрачным для видимого света, но пропускать часть инфракрасного спектра; быть прозрачным и там и там; либо не пропускать ни обычный свет, ни инфракрасный. Так вот, практически вся существующая одежда относится к последнему типу — она не пропускает ни тепловые волны, ни видимый свет. Как же сделать одежду непрозрачной для глаза, но прозрачной для тепловых волн? Изготовлять её… из полиэтилена. Да, того самого полимерного материала, из которого производят обычные пластиковые пакеты.

Долгое время всё пластиковое было синонимом слову «одноразовое», что в итоге привело к плачевным последствиям. Десятки миллионов тонн пластиковых отходов ежегодно оседают на свалках, хуже того — попадают в реки, моря и океаны. Загрязняя окружающую среду, человечество к тому же сокращает ценный ресурс, ведь практически все пластики производят из продуктов переработки ископаемого топлива — нефти и газа. Получается абсурдная ситуация: молекулы углеводородов совершают долгий путь из глубин Земли и превращаются в высокотехнологичные полимерные материалы лишь для того, чтобы покупатель положил в полиэтиленовый пакет килограмм яблок и кусок колбасы, донёс до дома, а затем отправил пакет в мусорное ведро, откуда он начнёт своё второе «путешествие», конечным пунктом которого будет Мировой океан. По-этому с одноразовым пластиком в последнее время начали активно бороться по всему миру. Как? С одной стороны, ограничивая его использование, а где-то и вовсе даже запрещая продажу полиэтиленовых пакетов, а с другой — придумывая новые способы повторного использования полимерных материалов, чтобы наш полиэтиленовый пакет (прежде, чем он окончательно станет мусором) ещё несколько раз превратился бы в тот же пакет или во что-то другое. Например, в ткань для одежды.

Если ваша фантазия рисует футболку, сделанную из пакета-майки, то это не совсем то, над чем работают разные группы химиков и технологов. Из полиэтилена можно изготовить волокна и нити, из них затем получить ткань и сделать какой-нибудь элемент одежды, как из обычных натуральных или синтетических материалов. У такой одежды появится уникальное свойство: она не будет задерживать тепловое излучение тела и в ней действительно может быть прохладнее, чем в обычной. По сути, это одежда, которая «не греет» — очень полезное свойство в летнее время!

Главное отличие полиэтилена от других синтетических тканей, которое делает его прозрачным для тепловых волн, заключается в его химической структуре. Её можно описать как длинное-длинное дерево, состоящее из атомов углерода, на котором, как на веточках, висят атомы водорода. Только углерод, водород — и ничего больше. То, насколько вещество поглощает или пропускает тепловое излучение, зависит от типа и количества химических связей. Химические связи между атомами, как сеть, ловят инфракрасные лучи определённых длин волн. Чем больше разных атомов, разных типов связей, тем больше вещество задерживает падающее на него излучение инфракрасного спектра. Полиэтилен в этом смысле — словно сеть с крупными ячейками, сквозь них почти беспрепятственно проходит «мелкая рыбёшка» — человеческое тепло, поскольку пик теплового излучения тела приходится как раз на ту область инфракрасного спектра, где полиэтилен практически ничего не поглощает.

Но заворачиваться летом в полиэтиленовую плёнку в поисках прохлады никто в здравом уме точно не будет. Очевидно, что одежда должна быть проницаема для воздуха и для влаги. Да и относительная прозрачность полиэтилена мало кому придётся по вкусу. К счастью, все эти трудности могут быть преодолены.

Во-первых, полиэтилен можно сделать пористым. Здесь даже не нужно изобретать какой-то новый материал — полиэтиленовую плёнку с нужным размером пор, например, с успехом применяют при изготовлении литий-ионных батарей. Взяв за основу такую плёнку и добавив ей дополнительных дырок для вентиляции, группа исследователей из Стэнфордского университета ещё в 2016 году показала, что подобный материал сопоставим с хлопковой тканью по проницаемости для влаги и воздуха, но за счёт лучшей проницаемости для теплового излучения температура кожи под ним ниже почти на три градуса Цельсия.

Во-вторых, из полиэтилена можно изготовить не только плёнку, но и ткань, тогда роль пор будет выполнять пустое пространство между нитями и волокнами. Тканевый материал уже не будет напоминать по фактуре плащ-дождевик, да и у дизайнеров одежды будет больше свободы для творчества. Проблема прозрачности полиэтилена решается довольно просто. На стадии изготовления нитей в расплав добавляют микрочастицы красителей, которые придают полиэтилену нужные цвета и делают его непрозрачным. В отличие от традиционных способов окраски тканей, добавление красящих частиц «внутрь» материала даёт возможность потом их оттуда «забрать» — это важно, если мы планируем утилизировать материал. К тому же частицы краски вполне пригодны для повторного использования.

Подобный способ окрашивания материала хорош ещё и тем, что не требует большого количества воды, в отличие от традиционного процесса, от стоков которого реки окрашиваются всеми цветами радуги. Ещё одно приятное свойство полиэтилена как материала в том, что его очень сложно испачкать и очень легко помыть. Меньше стирального порошка, ниже температура воды — и экономия, и вреда природе меньше. И, конечно, не стоит забывать, что если мы сможем себя комфортнее чувствовать при более высоких температурах воздуха, то сэкономим огромное количество энергии, ежегодно затрачиваемой на кондиционирование помещений.

У читателя, наверняка, уже возник вопрос: если учёные изобрели такую чудо-технологию, то почему полиэтиленовую одежду не продают на каждом углу?

Это не совсем так. Нет проблем купить защитный спецкомбинезон из полиэтиленового материала. Но спастись в нём можно от пыли, вредной химии или злобных вирусов, а никак не от жары. Дела с обычной повседневной одеждой из полиэтилена действительно обстоят намного хуже. Несмотря на то, что первые опытные образцы дышащих полиэтиленовых тканей появились ещё в 2016 году, ни до серийного, ни даже до мелкосерийного производства дело до сих пор не дошло.

Большинство разработанных технологий пока — всего лишь примеры, доказывающие, что возможно изготовить дышащий полиэтилен, возможно сделать ткань из бывшего полиэтиленового пакета, возможно её раскрасить. Но от всех этих «возможно» до работающего минизаводика лежит непростой путь решения вороха технологических проблем. А дьявол, как известно, прячется в деталях. Не забудем и о том, что одежда — это мода, удобство, личные предпочтения. Наберётся ли хотя бы миллион человек на Земле, которые захотят носить полиэтиленовую одежду?

Другие статьи из рубрики «Человек и природа»




Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее