Рассказываем про эксперименты с тефлоном и вспоминаем первые мембранные куртки из 70-х.
Водонепроницаемая, ветронепроницаемая и «дышащая» — мембрана GORE-TEX хорошо знакома альпинистам, горнолыжникам и даже весьма широкому кругу далёких от аутдора людей. В этой статье рассказываем про эксперименты с политетрафторэтиленом и его роли в изобретении Gore-Tex, разбираем на молекулярном уровне, почему мембрана не пропускает воду и ветер, но выпускает испарения тела, и вспоминаем самые первые мембранные куртки.
Создание компании W.L. Gore & Associates
От химических экспериментов в подвале частного дома до поставок кабелей для космических миссий
История корпорации Gore, в которую входит бренд Gore-Tex, началась 1 января 1958 года в подвале дома Уилберта и Женевьевы Гор (Wilbert L. and Genevieve Gore) в городе Нюарк. До этого Билл работал в небезызвестной химической компании DuPont, но оставил место, чтобы посвятить себя изучению ПТФЭ (PTFE) — политетрафторэтилена, линейного полимера, состоящего из молекул фтора и углерода, и известного нам как тефлон.
Что такое полимеры?
Химические вещества, состоящие из большого числа молекул. Эти молекулы связаны между собой в звенья и повторяются.
В этом веществе Билл видел большой потенциал, пока не раскрытый. Чтобы оценить исключительные свойства этого полимера, не нужно быть химиком: высокая прочность на разрыв, низкая диэлектрическая проницаемость, устойчивость к УФ-излучению и др.
Билл и Женевьева Гор в 1960-е гг. Фото: www.gore.com.
Политетрафторэтилен был открыт в 1938 году учёным-химиком Роем Планкеттом, которому на тот момент было всего 27 лет. В 1941 компания Kinetic Chemicals, в которой трудился Планкетт, получила патент на тефлон, а в 1949 стала частью компании DuPont, и теперь «тефлон» — это зарегистрированный товарный знак DuPont.
В чём разница между политетрафторэтиленом и тефлоном?
Это разные названия одного и того же вещества. «Тефлон» — товарная марка корпорации DuPont, политетрафторэтилен — непатентованное название. В СССР было распространено техническое наименование фторопласт-4.
Во времена Билла Гора тефлон уже использовался в производстве различных товаров, кухонной посуды например, и был знаком покупателям. Билл хотел пойти дальше. Наблюдая, как стремительно развивается компьютерная индустрия, он видел возможность применять ПТФЭ для изоляции проводов в первых компьютерах.
Первым продуктом Гора стал изолированный ленточный кабель Multi-Tet™. Вместе с Биллом над экспериментами с PTFE работал его старший сын Роберт («Боб»), студент химико-технологического факультета Делавэрского университета. Боб предложил успешный процесс производства изолированного ленточного кабеля, во многом именно этим сподвигнув отца на создание компании W.L. Gore and Associates. Кабель получил название Multi-Tet, принёс компании первый патент (U.S. Patent 3,082,292 от 1963 года) и первый крупный контракт — с компанией Denver Water Company на 7,5 миль изолированного ленточного кабеля. В 1964 Gore становится единоличным поставщиком кабелей для первого серийного цифрового компьютера IBM System/360.
Фото: www.gore.com.
В 1962 кабели Gore первый, но не последний раз отправляются в космос — как часть спутника Telstar. В 1966 компания поставляет кабель для беспилотника «Сервейер-1», проводящего геодезические исследования Луны. 21 июля 1969 продукция Gore оказывается на Луне снова. Участники миссии НАСА «Аполлон-11» астронавты Эдвин Олдрин-младший и Нил Армстронг устанавливают сейсмографическое оборудование, подключенное к кораблю с помощью кабеля W.L. Gore & Associates.
Фото: NASA.
Открытие ePTFE — основы материалов GORE-TEX
Как сдавшие нервы привели к открытию материала с уникальными свойствами и 5500 патентам на технологии с его применением
Итак, дела компании W.L. Gore & Associates пошли в гору, а политетрафторэтилен занял в этих делах центральную позицию. Полёты на Луну — это был успех, но полностью потенциал ПТФЭ был раскрыт позже. А именно, в 1969 году, когда Боб Гор обнаружил, что при определённых условиях ПТФЭ может растягиваться, а в результате этого растяжения получается удивительно прочный микропористый материал с уникальными свойствами.
Боб Гор демонстрирует способность ПФТЭ растягиваться. Фото: www.gore.com.
Над идеей растяжения ПТФЭ Боб работал много. Он хотел получить более лёгкий, более податливый материал — и более эффективный с экономической точки зрения. Рынок конца 60-х и тенденции развития электроники требовали от семьи Гор делать что-то кроме кабелей и проводов. Боб нагревал тефлоновые стержни, а затем пытался постепенно растянуть их за концы, но материал ломался, и эксперимент за экспериментом химик терпел неудачи. Как-то раз нервы его не выдержали, и он в порыве схватил и резко дёрнул такой стержень — каково же было его удивление, когда стержень удлинился почти в 10 раз.
Расширенный ПФТЭ — ePTFE — оказался лёгким и прочным, имел микропористую структуру и содержал 70% воздуха, а значит его можно было заполнить дополнительными материалами. Это свойство невообразимо расширило области применения ПФТЭ: от гитарных струн и мембранной одежды до сосудистых трансплантатов, промышленных фильтров и кабелей, используемых в Марсоходе.
Фото: www.gore.com.
Всё дело в том, что производитель может влиять на плотность материала, степень пористости, толщину, направление волокон и другие свойства, а также может выпускать материал в самых разных формах: ленты, плёнки, мембраны, трубки, листы и др. Таким образом, ePTFE адаптируется под самые разные запросы.
ePTFE и его различные формы. Фото: www.gore.com.
Где в разное время использовался ePTFE компании Gore?
- Оптика Costar для космического телескопа Хаббл
- Гитарные струны Elixir®
- 45 миллионов медицинских имплантатов, созданных с момента основания медицинского подразделения Gore в 1975 году
- Кабельные сборки СВЧ-диапазона (Gore Microwave Cable Assemblies, GMCA) для приёма фото с марсоходов «Спирит» и «Оппортьюнити» и передачи данных для позиционирования межпланетной станции «Феникс» на Марсе
- Выдвижная крыша Центрального корта на Уимблдоне в Лондоне
- Антенны для доступа в Интернет на коммерческих авиарейсах
Так что у вашей куртки Gore-Tex, оказывается, много общего со спутниковым кабелем GORE®, принимающим сигналы из космоса. Они оба содержат мембранный слой, но вот внутренняя архитектура этого слоя выстроена по-разному.
Свойства и принцип работы мембраны GORE-TEX
Почему мембрана не пропускает воду, но пропускает испарения от тела и как это выглядит на молекулярном уровне
Итак, теперь мы знаем, что в основе тканей Gore-Tex лежит расширенный политетрафторэтилен, он же ePTFE, с микропористой структурой. Также мы знаем, что одежда с мембраной Gore-Tex обладает тремя ключевыми свойствами:
- Водонепроницаемая
- Ветронепроницаемая
- Позволяет коже «дышать»
То есть мембрана не пропускает внутрь дождь и ветер, но выпускает наружу испарения от тела человека. Как это работает?
Водонепроницаемость и паропроницаемость (способность «дышать»)
На один квадратный сантиметр мембраны Gore-Tex приходится более 1,4 млрд пор. Одна такая пора в 20 000 раз меньше капли воды, но в 700 раз больше молекулы водяного пара. Поэтому мембрана не пропускает воду в её «жидком» виде, но пропускает испарения.
Если представить, что пора мембраны размером с футбольное поле, то молекула водяного пара будет размером с футбольный мяч, а капля воды — размером с Землю. Кроме того верхний слой одежды с мембраной Gore-Tex, как правило, дополнительно обрабатывается долговечным водостойким покрытием (DWR).
Ветронепроницаемость
На фотографии выше видно, что структура мембраны под микроскопом напоминает плотную живую изгородь. Такая микропористая структура ловит порывы ветра и отводит их от тела.
ePTFE под микроскопом. Фото: www.gore.com.
Структура материалов GORE-TEX
Как работает мембрана, разобрались, теперь разберёмся, как она «упаковывается» в одежду. На фото ниже изображён поперечный срез ткани Gore-Tex, увеличенный до молекулярного уровня. Плотная, относительно тонкая полоска внизу — это собственно мембранный слой, а переплетения наверху — это тканый лицевой слой, в данном случае из нейлона.
Материал Gore-Tex в поперечном разрезе. Фото: W. L. Gore and Associates.
В базовом варианте одежда Gore-Tex представляет собой «бутерброд» из наружного слоя, мембраны и подкладки, склеенных между собой. А вот дальше, в зависимости от предназначения одежды, собственно мембранный слой может быть «упакован» в несколько дополнительных слоёв других материалов с разными характеристиками и свойствами: утеплитель, мягкая подкладка, дополнительный защитный слой и т.д.
Интересное из истории экипировки GORE-TEX
Первая мембранная одежда для активного отдыха, пожарная защита и космические скафандры, с 1976 по наши дни
Свой первый коммерческий заказ на Gore-Tex компания Gore получила от бренда Early Winters в 1976 году. Перед этим Джо Таннер, менеджер по продажам W. L. Gore and Associates, в течение двух лет неоднократно обзванивал крупных продавцов типа REI и The North Face и везде получал отказ. Early Winters по сути оказались первыми, кто сумел разглядеть потенциал тканей Gore-Tex в аутдоре.
Во время презентации Gore-Tex Джо Таннер наглядно продемонстрировал свойства мембраны с помощью чашки горячего кофе. Он накрыл чашку кусочком мембраны: пар от горячего кофе выходил через ткань наружу, но когда Таннер перевернул чашку, кофе не просачивался через материал. Этот приём используется в презентациях Gore-Tex до сих пор, конечно уже не с чашкой кофе, а с лабораторным оборудованием.
Интересно, что сотрудничество между Early Winters и Gore началось не с одежды — впервые мембрана Gore-Tex вышла на рынок в составе двухместной палатки The Light Dimension. Палатка вошла в каталог Early Winters 1977 года, а вместе с ней и первые мембранные куртки. Реклама в каталоге обещала «впечатляющую защиту от ветра, воды и испарений вашего собственного тела» и характеризовала парку и анорак Gore-Tex Rainwear как «…возможно, самую универсальную из когда-либо сделанных…»
Реклама первых курток Gore-Tex Rainwear в каталоге Early Winters, Ltd. Фото: www.gore.com.
Палаткой и анораком сотрудничество Early Winters и Gore не ограничилось. Как вам, например, мембранный велосипедный костюм образца 1980 года?
В 1979 Gore ликвидирует слабое место мембранной одежды — протекающие швы. Компания выпускает герметизирующую ленту Gore-Seam® и запечатывающую машинку для её нанесения.
Далее производство одежды с мембраной Gore-Tex развивается семимильными шагами. В 1980 на рынке появляется 2-слойная мембрана Gore-Tex и лыжные перчатки с вставками из неё, в 1982 — материал Gore-Tex Z-liner и первые ботинки с его использованием, в 1998 — облегчённые и компактные куртки с технологией Gore-Tex Paclite® для каждодневной носки, в 2006 — одежда для экстремальных погодных условий с технологией Gore-Tex Pro, в 2010-е — обувь Gore-Tex Surround® и Gore-Tex Invisible Fit, одежда Gore-Tex Shakedry™, Gore-Tex Infinium™ и другие технологии.
Участники международной трансантарктической экспедиции, экипированные в Gore-Tex. 1990 год. Фото: www.gore.com.
Нам хорошо знакомы куртки, перчатки и обувь с мембраной Gore-Tex, предназначенные альпинистам, туристам, горнолыжникам и просто на каждый день. Однако производство одежды Gore этим не ограничивается и обеспечивает куда более специфические и сложные отрасли.
В 1980 W.L. Gore & Associates впервые используют мембрану в защите для пожарных, в 1981 — при создании космических скафандров для миссии НАСА на шаттл «Колумбия», а в 1988 компания получает первые крупные заказы от военных. В наши дни выпуску специальной защитной одежды для военных, пожарных, полицейских и рабочих посвящено отдельное направление в W.L. Gore & Associates.
«Вы не можете увидеть разницу, но куртка справа обеспечит вашим пожарным самую надёжную и удобную защиту из возможных». Фото: www.gore.com.
PS
Gore много работает над тем, чтобы снизить негативное влияние производства одежды на окружающую среду. Уже более 20 лет для этих целей компания применяет оценку жизненного цикла продукции.
Что такое оценка жизненного цикла (Life cycle assessment, LCA)?
Метод экологического менеджмента (международный стандарт ISO 14044:2006). В двух словах, стандарт оценивает, какой вред продукция наносит и потенциально может нанести окружающей среде на всех этапах её жизненного цикла, от производства из природных ресурсов или сырья до утилизации в конце службы. Например, задействование природных ресурсов для производства, выбросы в атмосферу, сбросы в почву и воду, создание отходов, в том числе опасных, влияние продукции на здоровье человека и др.
Оценка жизненного цикла типичной мембранной куртки и пары треккинговых ботинок приводит к простому выводу: единственный фактор, который действительно может ощутимо уменьшить их воздействие на окружающую среду, это долговечность. Попросту говоря, чем дольше вещь носится, тем меньше от неё вреда для природы.
Это — одна из причин, почему Gore-Tex уделяет не просто большое, а буквально колоссальное внимание лабораторным тестам и испытаниям в реальных условиях, а также обратной связи от тестировщиков. Причём касается это не только мембранных тканей, но и «готовых продуктов» с ними — одежды, обуви и снаряжения, которые выпускают бренды-партнёры.
С 1989 уверенность во всём, что выходит под логотипом Gore-Tex, отражает знаменитый слоган (а точнее, не слоган, а обещание): Guaranteed To Keep You Dry®.
Ярлычок с логотипом Gore-Tex это не просто какая-то бумажка, а нечто большее. Это — обещание, к которому мы относимся очень серьёзно. Если на вашей одежде есть такой ярлычок, будьте уверены, ваша вещь — результат открытий и испытаний, проводимых на протяжении десятилетий. И они гарантируют вам комфорт и защиту.
Источники
- Gore-Tex brand: Our history
- Gore: Technologies
- Gore: The Gore Story Timeline
- Science History Institute: Robert W. Gore
- Early Winters Images
- Oregon Photos: Early Winters — Another Of The Seattle Area Pioneers
- ГОСТ Р ИСО 14044-2007 Экологический менеджмент. Оценка жизненного цикла. Требования и рекомендации
- Gore-Tex brand: Our Rigorous Testing
- Материалы, предоставленные официальным дистрибьютором Gore-Tex в России
