Синтетический мир

Пещерный человек в одежде из шкур Иллюстрации для статьи подготовил Максим Ефремов

Много тысяч лет человечество использует одежду. Вначале истории это были плохо выделанные шкуры диких животных. С развитием навыков шкуры стали выделывать лучше, дикие животные уступили место домашним. Первые ткани были изготовлены из шерсти животных. Шёлк, хлопок, лён пришли в сферу одежды позже. История изготовления натуральных тканей насчитывает тысячи лет. Мы помним с детства, что синтетическая ткань — это плохо, а натуральная это хорошо. А страшилки, что синтетика не дышит, не впитывает влагу, в ней жарко, плохо, на солнце она воняет? И, наверное, по ночам ест детей, но это не точно. А так ли это и где правда? Вся ли синтетика одинаковая? Или есть важные отличия? История синтетических волокон началась совсем недавно, менее 100 лет назад. Как обычно, двигателями прогресса являются война и женщины. Давайте расскажем эту занимательную историю.

Натуральная история

Когда закончилась Первая Мировая война, победители и особенно побеждённые начали готовиться к войне будущей. Именно в это время появились запросы на материалы, которые природа не в состоянии предоставить человеку. Требовалось создать синтетическое волокно, прочное, лёгкое, с хорошими свойствами для окрашивания, износостойкое. Волокно, которое не зависит от урожая, погоды, квалификации и настроения работников на хлопковых полях и шёлковых плантациях. Волокно, которое можно массово производить на химическом заводе в любом месте, днём и ночью. Исследования по созданию синтетических волокон возглавили США и Германия. Заменить натуральный шёлк было очень важно: из него производили парашюты, стропы, одежду. Большая часть гражданских и транспортных самолётов того времени имела деревянные каркасы крыльев, которые обтягивали шёлком и затем пропитывали специальным составом и красили. Такие крылья просты в производстве, не требуют дорогих алюминиевых и магниевых сплавов, обладают малым весом. Разведывательные и диверсионные планёры изготавливали исключительно из дерева и обтягивали шёлком. Оболочки аэростатов также делали из шёлка. Но основным поставщиком натурального шёлка в то время была Япония и подконтрольные Японии провинции Китая. Если для Германии Япония являлась союзником, то для США — потенциальным противником. Для Германии перевозка шёлка морем из Японии в случае полномасштабной мировой войны представляла сложную задачу. Обеим странам был нужен прочный синтетический материал. В СССР ситуация была несколько проще, производство шёлка исторически располагалось на территориях нынешнего Казахстана и Узбекистана.

Создание полиамида*

Схема молекул полиамида (нейлона)

Чулки являлись непременным атрибутом женской одежды

В США первые опыты проводил Уоллес Карозерс начиная с 1928 года в Уилмингтоне, США, в компании EI du Pont de Nemours and Co. К 1935 году были получены первые полимеры полиамида 6.6, а в 1938 году началось опытное производство.

В 1939 году в США был запущен первый в мире завод по производству нейлоновых волокон, а первые чулки поступили в продажу в октябре того же года. Женские чулки стали первым гражданским вариантом применения нейлоновых волокон благодаря большому спросу на подобный вид продукции. Шёлковые чулки были весьма модным и востребованным аксессуаром, но имели высокую цену. Более того, натуральный шёлк мог слёживаться, преть, гнить, тонкая шёлковая ткань была непрочной и часто рвалась. Но самой большой бедой была моль: она нещадно жрала шёлковые чулки, оставляя неприглядные дыры. Строго говоря, не совсем верно называть чулки модным аксессуаром. Например, во всех правительственных учреждениях США женщинам было строго запрещено появляться на работе с голыми ногами. Появление нейлоновых чулок с более привлекательными потребительскими свойствами произвело фурор среди работающих женщин всех возрастов. Единственная характеристика, которую не удалось сделать приемлемой, — это цена. Изначальная идея сделать чулки ощутимо дешевле шёлковых быстро разбилась о жажду прибыли. Первые пары чулок продавались по сходной цене 1,5 доллара за пару, но уже к середине 1941 года пара стоила 2,5 доллара. Продажи чулок шли миллионами, что давало импульс развитию промышленного производства. Быстрый и устойчивый спрос возник на использование нейлона в качестве армирующих материалов в шинной промышленности, изготовление приводных ремней и ряда изделий авиационной промышленности. Весь перечень использования полиамида для нужд ВПК заслуживает отдельного материала.

Барражирующие аэростаты применяли преимущественно в СССР и Англии для защиты неба от самолётов противника

Цех по производству маскировочных сетей, США, 1942 год

Нейлон активно применяли для изготовления парашютов

В Германии, параллельно с исследованиями в США, шли свои разработки. Первые опыты датируются 1931 годом, результатами которых стало открытие полиамида 6.0 в 1939 году. Годом позже открыли мелкосерийное производство непрерывной нити, в 1941 году развернули полномасштабное производство полиамидных тканей, весь объём которых шёл на нужды Вермахта. Производством чулок в Германии не баловались.

В СССР первые успешные опыты полимеризации ε-капролактама в линейный полимер провели в 1942 году, а первое производство полиамида открылось в Клину в 1948 году. В СССР полиамид более известен как капрон.

Демобилизованная синтетика

Верёвки и канаты из полиамида активно используются с конца 60-х годов

Вторая Мировая война полностью остановила опыты по изучения полиамида для гражданского применения вплоть до 1945 года. К концу 40-х годов гражданское применение синтетических волокон стало преобладать над военным. В 1950 году общее мировое производство синтетических волокон составляло всего 69 000 тонн, и почти всё это составлял нейлон. В течение следующих 20 лет началось производство полиэфирных, акриловых и полипропиленовых волокон, и объём производства увеличился до 4,8 млн тонн. Нейлон оставался самым востребованным синтетическим волокном. В 1970 году на долю нейлона приходилось 40% от общего объёма производства синтетических волокон — порядка 2 млн тонн.

Сфера применения также расширилась от первоначального рынка чулочно-носочных изделий до изготовления разных видов одежды, а также ковров, часто в смесях с шерстью. Лёгкие в уходе волокна нейлона использовались в производстве нижнего и постельного белья, рубашек и верхней одежды. Наиболее часто использовали плоские нити с грубыми волокнами — посредственные свойства материала компенсировали низкой ценой изделия. Однако для многих видов одежды, особенно нижнего белья, нейлон не обладает нужными свойствами. Эти ткани были достаточно мягкими, но плохо отводили влагу от тела и имели тенденцию накапливать статическое электричество, что приводило к прилипанию и искрению. К середине 1970-х нейлон теряет привлекательность, более того, указание в составе изделия «нейлон» снижало продажи.

Акриловая ткань

Волокно полиакрилонитрила

Акриловые нити, окрашенные в массе

Акрил был открыт в США и поначалу применялся в виде твёрдого вещества. Активное использование получил в стоматологии в виде зубных протезов. Акриловые волокна изготовлены из полимера полиакрилонитрила (сокращённо PAN), который содержит не менее 85% мономера акрилонитрила. Модифицированные акриловые волокна, в которых содержание мономера акрилонитрила составляет менее 85%, но не менее 35%, называются модакриловыми волокнами. В модакриловых волокнах оставшиеся 15–65% состоят в основном из галогенированных сомономеров, придающих волокнам высокую степень огнестойкости.

Все виды акриловых тканей были разработаны и применяются как недорогой заменитель шерсти, особую популярность они получили в середине 70-х. В современной текстильной промышленности в чистом виде применяется редко, как правило в спецодежде. В повседневном использовании акрил можно встретить в виде добавки к натуральной шерсти, для улучшения прочностных свойств и снижения себестоимости.

В течение последних 10 лет акриловые волокна постепенно уступали долю рынка полиэфирным волокнам. В 2020 году пандемия COVID-19 повлияла на спрос и предложение почти во всех регионах. Рынки в Северной, Центральной и Южной Америки пострадали больше, чем рынки Европы и Азии.

Открытие полиэстера

Первые опыты по созданию полиэфирных волокон провёл уже упомянутый Уоллес Карозерс, но он не добился успеха. Исследования были продолжены после его смерти в 1937 году Дж. Р. Уинфилдом и Дж. Т. Диксоном в лабораториях Ассоциации печатников Calico в Англии. В 1939 году они синтезировали высокомолекулярный поли этилен терафталат (PET) из терефталевой кислоты и её очищенного диметилового эфира путём реакции с этиленгликолем. Полученный полимер бесцветен и устойчив к расплавлению. При достижении температуры 250–270 градусов ПЭТ расплавляется и экструдируется через фильеры с тонкой насадкой для формирования нитей, обладающих весьма привлекательными текстильными свойствами. Вторая Мировая война полностью остановила дальнейшие разработки, которые возобновились лишь в конце 1945 года.

После окончания Второй Мировой войны по соглашению сторон материалы исследования были переданы компании DuPont. Компания представила ПЭТ-волокно под названием дакрон. Оригинальные материалы были доработаны английской компанией Imperial Chemical Industries, которая выпустила материал под названием терилен.

Полиэстровые штапельные волокна

В конце 1940-х эти два названия PET 2GT волокна стали коммерческими продуктами. В начале 1950 -х годов по обе стороны Атлантики оба бренда добились значительного успеха благодаря новой моде на плиссированные юбки-гармошки. Можно сказать, что именно женская мода явилась мощным драйвером распространения ткани из полиэстера. Превосходные свойства смесевой ткани (ПЭТ с шерстью или хлопком), удерживающей складки, и высокая износостойкость были замечены и использованы в производстве одежды. Спустя несколько лет производители из Германии и Франции получили лицензии на производства ПЭТ-волокна и серийно выпускали их под собственными торговыми марками Тревира и Тергал соответственно. Объёмы производства одежды из полиэстера постоянно увеличивались.

В 1970-х годах разработанные смеси полиэстера и хлопка обеспечивали превосходный комфорт для пользователей во многих сегментах одежды и домашнего текстиля. Нейлон был вытеснен из этих областей применения. В индустрии моды слово «нейлон» стало носить негативный оттенок. К 1975 году полиэстер стал самым важным синтетическим волокном с точки зрения объёма производства, нейлон превратился в товар, для которого основным фактором в выборе производителя является цена.

Ткань из полиэстера белого цвета

Ткань может иметь разную фактуру, окрашена в массе в любой цвет

К началу 21 века преимущество полиэстера стало всеобъемлющим, и его доля в производстве одежды с каждым годом увеличивается.

В 1999 году в мире произвели 28 млн тонн синтетических волокон, доля полиэстера в этом объёме составляла 65%

В 2020 году в мире произвели 68 млн тонн синтетических волокон, доля полиэстера в этом объёме составила 85%.

Мировые тенденции

Интересно сравнить производство разных волокон в разные годы, полезная информация есть в открытом доступе. Если мы обратимся к графику потребления разных волокон, мы увидим рост спроса на хлопчатобумажные ткани с 1960 года по середину 70-х практически в два раза. К 1980 году ситуация стабилизировалась. Мировое производство шерсти не демонстрирует рост вот уже 60 лет (график 1).

График 1

Рассмотрим более детальный график производства на периоде с 1980-го по настоящее время (график 2).

График 2. Источник данных: Tenon OrbiChem

За последние 40 лет производства хлопка выросло незначительно, в пределах 25%. Рост общего производства волокон за этот же период составил более 300%. Как же так, мы же знаем, что натуральная ткань весьма популярна? Производство хлопковой ткани связано с большими энергетическими затратами, как с выращиванием хлопка, так и с его последующей обработкой. Также не следует забывать о весьма высоком потреблении воды в ходе мокрых обработок. Ранее проблема загрязнения окружающей среды не была в центре внимания. За последние 10 лет требования к очистным сооружениям были введены практически во всех странах. И если ранее загрязнённую в процессе производства воду текстильные комбинаты сливали в реки, теперь такой подход не приветствуется даже в традиционных текстильных регионах Юго-Восточной Азии. Это приводит к повышению себестоимости натуральных тканей. Вторая причина отсутствия роста производства хлопка — увеличивающийся спрос на продукты питания в этих же регионах. На это накладывается рост стоимости зерновых культур, который заметно опережает рост стоимости хлопка. При выборе, что именно будут выращивать на том или ином участке земли, владельцы не спешат отдавать предпочтение хлопку. Всеобщее заблуждение, что натуральные ткани являются экологически чистыми, стоит развеять. Да, для пользователя одежды из натуральной ткани всё хорошо, но при её производстве в атмосферу попадает большое количество парниковых газов. Процесс утилизации одежды из натуральной ткани также загрязняет окружающую среду.

Особое место занимают целлюлозные ткани, их производства выросло более чем в три раза за последние 15 лет. Целлюлозные ткани являются синтетическими, но сделаны из натуральных материалов. По своим потребительским свойствам целлюлозные ткани весьма близки к натуральным.

Ниже показано распределение всех видов волокон в мировом производстве за 2020 год (график 3).

График 3. Источник данных: Preferred Fiber & Materials, Market Report 2021, Textile Exchange

Из всех графиков следует, что производство полиэстера показывает уверенный рост, в 2020 году доля полиэстера составляла более половины от всего объёма произведённых тканей. У этого явления есть несколько объективных факторов:

• Из всех видов полностью синтетических волокон, используемых для производства одежды, именно полиэстер обладает наилучшими потребительскими свойствами.
• У него невысокая себестоимость производства.

Есть возможность разделить производственный процесс на этапы***:

• производство ПЭТ-гранул;
• производство волокна (или готовых нитей) из гранул методом расплава;
• ткачество или вязание ткани с нужными свойствами.

Для производства не требуются большие площади в сравнении с хлопковыми полями.

Для его изготовления требуется заметно меньше воды по сравнению с объёмами при обработке хлопковых тканей.

Один из самых важных факторов — полиэстер при окрашивании не требует мокрых процессов. Этот факт делает полиэстер самым привлекательным материалом для цифровой печати.

Как итог: полиэстер производят в больших количествах, потому что это универсальная, недорогая ткань, более простая в изготовлении, чем натуральные, и он не зависит от количества солнечных дней, выпавших или не выпавших осадков или нашествия насекомых. Современные технологии производства полиэстеровых тканей позволяют придать самые разнообразные свойства. Использование монофиламентных нитей обеспечивает лучшее поглощение влаги, более яркие цвета при окрашивании, большую износостойкость. Для большинства людей в мире полиэстер снизил затраты на покупку одежды.

График 4. Источник даннык: Cotton Analyticn and Fred Economic Dota

Согласно исследованиям, в США цены на одежду не растут с 2000 года (график 4). При том что уровень цен на другие товары за этот период вырос практически вдвое. А какие перспективы производства хлопковых тканей в ближайшие годы? Не прослеживается каких-либо тенденций по увеличению их объёмов. Спрос на натуральную ткань растёт, это неминуемо приведёт к дальнейшему увеличению отпускных цен на готовую одежду. Качественный полиэстер в массовом сегменте будет доминировать и усиливать свои позиции.

Возвращаясь к началу нашей статьи, ответим на вопрос — какое оборудование для печати по ткани стоит выбрать сегодня с перспективой на ближайшие 3–5 лет? Если вам нужна большая синица в руках — это печать по полиэстеру сублимационным методом. Такой вид печати во всем мире демонстрирует уверенный рост на 20–25% год к году. Это обеспечит вам спрос постоянных клиентов сегодня, завтра и послезавтра.

Что по поводу журавля? Стоит ли покупать оборудование для печати по натуральной ткани? Конечно, но у вас должен быть пул заказчиков (или собственное производство одежды) среднего ценового сегмента, а лучше выше среднего. Если будут заказы на изделия премиум уровня — успех вам обеспечен.

Об авторе: Юрий Ефремов (y.efremov@t-textile.com) — директор компании «Текстиль и Технологии», занимающейся поставками оборудования и расходных материалов для цифровой печати по текстилю.

В статье использованы фотографии glamourdaze.com и архива Музея вооружённых сил США.

Иллюстрации для статьи подготовил Максим Ефремов

* Более популярное название полиамида — «нейлон». Полиамид и нейлон это два названия одного и того же материала. В СССР было своё название — «капрон»

** Не надо путать обозначения PES и PE. Последняя аббревиатура обозначает полиэтиленовые ткани, они применяются для производства сверхбюджетной мебели, в основном в Китае и США. Одежда из полиэтиленовой ткани мало пригодна для человека, но вполне подходит для животных.

** * Разные процессы возможно производить на разных предприятиях и даже в разных странах.