توسعه تکنولوژی هوشمند برای منسوجات و پوشاک

از قرن نوزدهم ، تغییرات تحول گونه با سرعتی غیر قابل انتظار در بسیاری از حوزه های علم و تکنولوژی صورت گرفته است که اثرات عمیقی بر زندگی بشر گذاشته است. اختراع چیپ های الکترونیکی، رایانه‌ها، اینترنت، کشف و تکمیل نقشه ژنوم انسانی و بسیاری موارد دیگر کل جهان را تغییر داده است قرن گذشته پیشرفت های فوق العاده ای نیز در صنعت منسوجات و پوشاک بوجود آورده که دارای تاریخ چند هزار ساله است. شالوده های اساسی درک علوم طراحی شده است تا راهنمای کاربرد بهینه و پردازش تکنولوژی الیاف طبیعی و تولید الیاف سنتزی باشد. ما چیزهای زیادی از طبیعت آموخته‌ایم. رایون ویسکوز، نایلون، پلی استر و سایر الیاف سنتزی در ابتدا بر اساس تقلید از همتاهای طبیعی آنها ابداع گردید. این تکنولوژی به گونه ای پیشرفت کرده است که الیاف سنتزی و محصولات آنها در بسیاری از جنبه ها از آنها فراتر رفته است.

روش های بیولوژیکی برای سنتز کردن پلیمرها یا منسوجات بیانگر یک روش دوستانه محیط زیستی و انعطاف پذیر برای بکارگیری منابع طبیعی است. طراحی و پردازش به کمک رایانه ها ، اتوماسیون با کنترل راه دور متمرکز یا پراکنده و سیستم های مدیریت تامین زنجیره ای متمرکز اینترنت محور بیش از پیش مشتری ها را به ابتدای زنجیره نزدیک می‌کند.

با نگاه به جلو درمی‌یابیم که در آینده این وضعیت بیشتر هم خواهد شد. در نتیجه توسعه های بعد ما باید انتظار چه ظرفیت های جدیدی را داشته باشیم؟ این ظرفیت ها حداقل باید شامل مقیاس نانو، پیچیدگی، شناخت و کل گرایی باشد. توانایی جدید مقیاس ترا سه درجه اهمیت را علاوه بر هدف کلی حاضر و توانایی های محاسباتی قابل دسترسی کلی به ما می دهد. در یک زمان کوتاه ما به میلیون ها سیستم و بیلیون ها اطلاعات موجود در اینترنت متصل خواهیم شد. تکنولوژی هایی که امکان بیش از یک تریلیون عمل در ثانیه را می دهند در دستور کار پژوهش است. تکنولوژی در مقیاس نانو سه درجه اهمیت پایین تر از اندازه بیشتر ابزار انسان ساخته امروزی را به ما می دهد. این تکنولوژی به ما امکان می دهد تا اتم ها و مولکول ها را به گونه ای کم هزینه و با بیشترین روشهای ممکن از نظر قوانین فیزیکی چینش کنیم. این تکنولوژی به ما اجازه می دهد تا ابر رایانه هایی بسازیم که روی سر یک الیاف و دسته ای از نانو ربات های پزشکی کوچکتر از یک سلول انسان قرار بگیرد تا سرطانها، عفونت ها ، شریانهای مسدود شده و حتی سن پیری را درمان کند. تولید مولکولی دقیقا مشخص می کند که چه چیزی باید ساخته شود و هیچ ماده آلوده کننده‌ای تولید نمی‌گردد.

ما در این دوره هیجان انگیز زندگی می کنیم و تاثیرات بزرگ تکنولوژی بر صنعت نساجی و پوشاک سنتی که دارای یک چنین تاریخ طولانی است حس می کنیم. به لحاظ سنتی بسیاری از حوزه های علم و مهندسی تفکیک و متمایز شده اند. اخیراً حرکت قابل توجه و همگرایی بین این حوزه های تلاشگری صورت گرفته و نتایج آن خیره کننده بوده است. تکنولوژی اسمارت برای مواد اولیه و ساختارها یکی از این نتایج است.

ساختارها و مواد هوشمند چه هستند؟ در طبیعت مثال های زیادی از ساختارهای هوشمند وجود دارد. یک موجود زنده تک سلولی ساده میتواند مبانی موضوع را روشن کند. همانگونه که در شکل 1-1 نشان داده شده شرایط متنوع زیست محیطی یا محرک ها روی لایه بیرونی عمل می کنند. این شرایط با محرک ها ممکن است به شکل نیرو، درجه حرارت، تشعشع ، واکنش های شیمیایی و میدانهای مغناطیسی و الکتریکی باشد.

حسگرهای موجود در لایه بیرونی این اثرات شناسایی می کند و اطلاعات حاصله برای تفسیر و پردازش سیگنال به نقطه ای متصل می شود. که در آن سلول نسبت به این شرایط زیست محیطی یا محرک ها به روشهای متعددی مانند حرکت، تغییر ترکیب شیمیایی و کنش های باز تولیدی، واکنش نشان می دهد. طبیعت بیلیون ها سال و یک آزمایشگاه وسیع در اختیار داشته تا زندگی را توسعه دهد، در حالی که نوع انسانی تازه شروع به خلق ساختارها و مواد هوشمند کرده است.

ساختارها و مواد هوشمند را میتوان به صورت مواد و ساختارهایی تعریف کرد که محرکها یا شرایط محیطی، مانند آنچه از منابع مکانیکی، گرمایی، شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی یا سایر منابع حاصل می‌شود، را حس کرده و نسبت به آن واکنش نشان می‌دهد. بر طبق حالت واکنش می‌توان آنها را به مواد هوشمند منفعل ، هوشمند فعال و بسیار هوشمند تقسیم کرد. مواد هوشمند منفعل فقط می‌توانند شرایط محیطی یا محرک ها را حس کنند؛ مواد خیلی هوشمند خودشان می توانند حس کرده، واکنش نشان دهند و سازگار شوند. حتی سطح بالاتری از هوش را میتوان از ساختارها و مواد هوشمند کسب کرد که قادرند پاسخ داده یا برای اجرای یک عمل در یک حالت دستی یا از پیش برنامه ریزی شده فعال شوند.

در اینگونه مواد سه جزء ممکن است وجود داشته باشد: حسگرها، محرک ها و واحدهای کنترل. حسگرها یک سیستم عصبی را برای شناسایی سیگنال ها تامین می کنند. بنابراین در یک ماده هوشمند منفعل، وجود حسگرها ضروری است. محرک ها به طور مستقیم از یک واحد کنترل روی سیگنال های شناسایی شده کار می کنند. آنها نیز به همراه حسگرها عناصر ضروری برای مواد هوشمند فعال می‌باشند. حتی در سطوح بالاتر، همانند مواد هوشمند یا خیلی هوشمند، نوع دیگری از واحد ضروری است، که مانند مغز از طریق شناخت، استدلال و فعال سازی ظرفیت ها عمل می کند. اینگونه ساختارها و مواد منسوج در نتیجه ترکیب موفق تکنولوژی پوشاک و منسوجات سنتی با علم مواد، مکانیک های ساختاری، حسگرها و تکنولوژی محرک ها، تکنولوژی پردازش پیشرفته، ارتباطات، هوش مصنوعی، بیولوژی و غیره، در حال تبدیل شدن به یک امر ممکن است.

تلاش های زیادی برای کاربردی کردن مواد پلیمری که مواد «هوشمند» نامیده میشوند صورت گرفته است  ( شکل 1-2) . ماهیچه مصنوعی یا محرک هوشمند یکی از اهداف اینگونه تلاش ها است. از لحاظ تاریخی مواد محرک اساساً در ترکیبات غیر آلی مورد بررسی قرار گرفته است. بطور خاص، ماشه های بکار رفته برای تحریک، معمولاً در یک حوزه کاربردی الکتریکی مورد بررسی قرار گرفته اند که علت آن سهولت کنترل می‌باشد. مواد پلیمری بررسی شده از این منظور خیلی محدود بوده و برای ایجاد کشش خیلی کوچکتر از مواد غیر آلی می باشد.

از سوی دیگر، مواد پلیمری مانند ژل های پلیمر معلوم شده که کشش های بسیار زیادی را ماشه های مختلف مانند تبدیل حلال، پرش PH ، پرش دما و غیره ایجاد می کند، اگر چه که واکنش و دوام نسبتاً ضعیف تر هستند و از آنها در محرک های عملی استفاده نشده است.

در زمینه مهندسی مکانیک، توسعه فرایند براده برداری میکرو با نیازمندی های تکنولوژی های ساخت میکرو و مونتاژ ابزار میکرو مواجه است و  انتظارات زیادی از ظهور مواد هوشمند می رود که بتواند فرایند ساخت و تولید میکرو را تا حد زیادی ساده کند.

تحت این شرایط، محرک ژل پلیمر بعنوان یکی از محتمل ترین کاندیداها به عنوان یک ماده ماهیچه مانند بیولوژیکی نرم با تغییر شکل زیاد علیرغم دوام کم آن است. پژوهشهای زیادی روی مواد جامد سخت به عنوان محرک مانند پلی (وینیلیدن فلوراید) (PVDF) صورت گرفته که یک پلیمر پیزوالکتریک شناخته شده است و ساختارهای کریستال نقش بحرانی برای تحریک بازی می کند و کشش القایی در مقایسه با ماهیچه های مصنوعی ژل که در فصل بعد توضیح داده خواهد شد، بسیار کوچک است اگر چه PVDF ، ساختار کریستال الکتریکی در آن نیاز دارد، موادی که در این قسمت مورد بحث قرار می گیرند به چنین محدودیت هایی نیاز ندارد.

توسعه تکنولوژی هوشمند برای منسوجات و پوشاک

ما همیشه تحریک شده ایم که به منظور خلق مواد پوشاک خود که دارای سطح بالاتری از کارکرد هوشمندی باشند از طبیعت تقلید کنیم. توسعه میکروفیبرها (ریزالیاف ها) مثال خوبی است که ابتدا از مطالعه و تقلید ابریشم آغاز می‌گردد، سپس با ایجاد محصولات دقیق تر و از بسیاری جهات بهتر ادامه می‌یابد.

اما تا به حال بیشتر منسوجات و پوشاک بیجان بوده اند. این موضوع جالب است که پوشاکی مانند پوست خود داشته باشیم که یک لایه از ماده هوشمند است. پوست دارای حسگر هایی است که فشار، درد، دما و … را شناسایی می کد. این پوست به همراه مغز ما می‌تواند به صورت هوشمند با محرکهایی محیطی برخورد کند. پوست مقدار زیادی تعریق انجام می دهد تا بدن را هنگامی که داغ است خنک کند و هنگامی که سرد است گردش خون را تحریک می‌نماید. پوست هنگامی که در معرض نور خورشید قرار گیرد (مدت زیاد) ، رنگ خود را تغییر می دهد تا از بدن ما محافظت کند. پوست نفوذپذیر است و اجازه می دهد رطوبت به داخل نفوذ کند و در عین حال از ورود مواد ناخواسته جلوگیری می‌نماید. پوست می‌تواند پوست اندازی کرده و خود را بازسازی نماید. پس مطالعه در مورد ساخت یک ماده هوشمند مانند پوست یک مقوله بسیار چالش دار است.

در دهه قبل، پژوهش و بررسی درباره ساختارها و مواد هوشمند به ایجاد گستره وسیعی از محصولات هوشمند جدید در هوا فضا، حمل و نقل، ارتباطات راه دور، خانه ها، ساختمانها و فوق ساختارها منجر شد. اگر چه این تکنولوژی بطور کلی جدید است اما بعضی عرصه ها به مرحله‌ای رسیده اند که کاربرد صنعتی برای منسوجات و پوشاک هم امکان پذیر است و هم ماندنی.

رئوس مطالب

هدف این مجموعه ویرایش شده، که یک بازبینی و بررسی آخرین توسعه های تکنولوژی هوشمند مربوط به منسوجات و پوشاک است. مخاطبین این ؟؟ دانشگاهیان، پژوهشگران ، طراحان، مهندسان عرصه توسعه محصولات منسوج و پوشاک و فارغ التحصیلان و دانشجویان کالج ها و دانشگاهها می‌باشند.

همچنین این مجموعه میتواند آخرین بینش های مربوط به توسعه تکنولوژیک را به مدیران شرکتهای منسوجات و پوشاک بدهد.

این مطالب با مشارکت هیئتی از کارشناسان بین المللی در این زمینه تهیه شده و بسیاری از جنبه‌های توسعه و پژوهش را پوشش می‌دهد. تحقیق متشکل از 17 فصل می باشد که میتوان آن را به چهار بخش تقسیم کرد. بخش اول (فصل 1) اطلاعات زمینه‌ای مربوط به تکنولوژی هوشمند برای منسوجات و پوشاک و خلاصه ای از مرور بر تولیدات و ساختار پروژه را به دست می دهد. بخش دوم شامل موضوعات مربوط به الیاف یا مواد است که از فصل 2 تا 3 می‌باشد. فصل 2 به موضوعات مربوط به مواد پلیمری فعال شونده به وسیله برق و کاربردهای الاستومرها و ژل پلیمر غیریونی برای ماهیچه های مصنوعی می‌پردازد. فصل 3 و مربوط به پارچه ها و الیاف حساس به گرما است.

در بخش سوم تمرکز بر فرایندهای مجتمع سازی و ساختارهای مجتمع است و خود شامل فصلهای دیگر است. فصل 4 مروری بر تولید و جریان های کلیدی ترکیبات هوشمند فیبر نوری است. فصل 5 بیان کننده غشاء های فیبر توخالی برای جداسازی گاز است. فصل 6 قلاب دوزی را به عنوان یک روش مجتمع سازی اجزاء تشکیل دهنده فیبر در ساختارهای منسوج توصیف می کند.

بخش چهارم روی کاربردهای زیست شناختی تمرکز دارد. فصل 7 فرآیندهای زیست شناختی مختلف برای پوشاک و منسوجات هوشمند را توضیح می دهد. ما فقط بخش کوچکی از تکنولوژی ظهور را از طریق پنجره این تحقیق دیده ایم . امکان پذیری های ارائه شده بوسیله این  تکنولوژی هوشمند بسیار زیاد گسترده است. حتی در حالیکه کتاب در حال آماده شدن بود، بسیاری از پیشرفت های جدید از سراسر جهان جمع آوری گردیده است. ما امیدواریم که این تحقیق بتواند به پژوهشگران و طراحان پوشاک و منسوجات الیاف هوشمند در آینده جهت واقعیت بخشیدن به رویا هایشان ، کمک کننده باشد.

مواد پلیمری به عنوان محرک ها یا ماهیچه مصنوعی

ژل پلیمری یک ماده پلیمری الکترو اکتیو است. انواع مختلف مواد پلیمری الکترو اکتیو وجود دارد. همانگونه که در بخش بالا ذکر شد، پلی الکترولیت یکی از آنها است و به عنوان یک ژل الکترو اکتیو بیشتر مورد بررسی قرار گرفته است. ما در بخش بعد به تفصیل بیشتری در مورد این ماده بحث خواهیم کرد.

مواد پلیمر فروالکتریک مانند PVDF یا مشتقات آن ذکر شده اند، چون آنها نیز مانند مواد فروالکتریک رفتار می کنند (شکل 2-2) . آنها دارای خاصیت کریستالی هستند و کریستال ها از طریق کنترل روش آمادگی پلی مورفیزم را نشان می دهند، کارهای بسیار بیشتری روی خواص پیزوالکتریک و یا پیزوالکتریک صورت گرفته است که همراه با خواص آنها به عنوان محرک های الکترو اکتیو می باشد این مواد از مدتها قبل به عنوان پلیمرهای نوعی الکترو اکتیو محسوب شده  بودند. بوسیله این مواد میتوان نتیجه گرفت که کشش القایی به مواد پلیمر زیاد نیست. معلوم شده که ضریب الکترو استریکتیو برای پلیمرها کم است. اینها پلیمرهای غیر یونی هستند و کشش القایی از جهت گیری مجدد یا تغییر شکل کریستال های پلاریزه در مواد جامد نشات می‌گیرد.

مشخصه محرک ژل پلیمر

مسیر ژل های پلیمر از مواد پلیمر سخت جامد متفاوت است. زنجیره های پلیمر در ژل معمولاً از نظر فیزیکی و شیمیایی متقاطع محسوب شده و یک ساختار شبکه ای سه بعدی را تشکیل می دهند. برای مثال ژل پلیمر معمولاً موضوعی است که با حلال خوب آن مشخص می شود و ویژگی های آن از یک حالت پلیمر تقریباً جامد به یک محلول با مقدار خیلی کم تبدیل شده است اما باز هم شکل خود را حفظ می کند. این تبدیل فوق العاده در خواص فیزیکی حوزه عملکرد ژل را گسترش می‌دهد.

محرک های لازم برای بکار انداختن ژل های پلیمر

همانگونه که از خواص فیزیکی متنوع ژل و تنوع گسترده حالتهای انگیزشی انتظار می‌رود، محرک های مختلفی برای تحریک ژل های پلیمری وجود دارد.

محرک ها را میتوان به دو گروه تقسیم کرد، محرک های شیمیایی و محرک های فیزیکی (شکل 6-2) . مبادله حلال به عنوان محرک های شیمیایی شامل جهش هایی در پلاریته حلال (مثلاً از حلال خوب به داخل حلال ضعیف) ،‌در pH (مثلاً در ژل پلی الکترولیت ضعیف از یک شرایط گسسته به یک شرایط پیوسته) و در قدرت یونی استفاده از بدون نمک یا لخته شدن می باشد. این دو نوع به همراه تورم و تورم زدایی حلال و تغییر شکل تا زمانی که ژل دارای یک ساختار همگن باشد، معمولاً متقارن است (شکل 7-2). جهش دما، که یک محرک فیزیکی است، نیز می تواند در جایی که حلالیت دارای یک دمای گذرای بحرانی باشد، تغییر شکل متقارن را به ژل های پلیمری خاص القا کند. مثال های نوعی ژل های پلی (وینیل امتیل اتر ) و پلی ( -N ایزوپروپیل آکریلامید) می‌باشند. این ژل ها دارای جذب آب بیشتر در دماهای پایین و تورم زدایی در دمای بحرانی ویژه حدود 40-30  هستند (شکل 8-2) . دمای گذرا را می توان به وسیله تغییر ساختار شیمیایی کنترل کرد. در مورد ژل نامتحرک پوریز، افزودن اوره که زیر مجموعه یوریز است، تورم و تورم زدایی به وسیله تغییر pH القایی توسط واکنش آنزیم صورت می‌گیرد (شکل 9-2).

ژل های پلیمر الکترو – اکتیو بعنوان ماهیچه های مصنوعی

در میان مواد محرک پلیمری ذکر شده در بالا،‌ ژل پلیمر دارای یک خاصیت مهم به عنوان یک ماده با کشش زیاد است. همانگونه که در بخش قبل بیان شد، میدان الکتریکی یکی از بهترین محرک ها برای تحریک عملی است. الکترو اکتیویته در ارتباط با ژل های پلی الکترولیت ذکر شده است ، چون آنها حاوی گونه های یونی هستند. اما گونه های یونی نه تنها نسبت به میدان الکتریکی حساس اند بلکه معمولاً از نظر الکتروشیمیایی فعال و همراه با الکترولیز روی الکترودها می باشند. واکنش های الکتروشیمیایی اغلب باعث افزایش جریان و تولید گرما می شوند. این فرایندها فقط باعث اتلاف انرژی گردیده و در ایجاد کشش مشارکت نمی کند. بنابراین، واکنش های الکتروشیمیایی در بیشتر موارد یک فرایند نامطلوب است. ژل های پلی الکترولیت و مواد مربوطه علیرغم مشکلات بسیار آنها برای محرک های عملی، باز هم در صدر مواد پلیمر الکترو اکتیو قرار دارند.

ژل های پلی الکترولیت الکترود اکتیو

همانگونه که در بخش قبل اشاره شد ژل های پلی الکترولیت به عنوان مواد محرک الکترو اکتیو مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این مفهوم از وجود گونه های یونی الکترو اکتیو در ژل ها است. گونه های یونی میتوانند جابجا شده و تشکیل توزیع محلی و یا واکنش های الکتروشیمیایی در ژل دهند که باعث تغییر شکل آن می شود.

ژل های پلیمر غیر یونی الکترو اکتیو

با مرور مواد ذکر شده در بالا مشخص می شود که یکی از نقایص جدی ژل های پلی الکترولیت مصرف الکتروشیمیایی روی الکترود در یک میدان الکتریکی است. مصرف الکتروشیمیایی باعث دوام ضعیف ژل های پلی الکترولیت شده و میدانهای کاربردی آنها را محدود می‌سازد.

بنابراین، مولف تلاش کرده تا از ژل های پلیمری غیر یونی به عنوان مواد تحریک کننده با تغییر شکل زیاد استفاده کند. نتایج نشان می دهد که این ایده در حالتی پربازده تر از حد انتظار عمل می کند اما ا ین مکانیسم تغییر کرده و آنچه در ابتدای انتظار می‌رفت نخواهد بود. این ویژگی با تفصیل بیشتری در زیر توصیف گردیده است.

نتیجه گیری ها

در این فصل، انواع مختلف پلیمرهای الکترو اکتیو معرفی گردیدند. بعضی از آنها دارای یک تاریخ طولانی به عنوان مواد الکترو اکتیو هستند. اما به تازگی ژل های پلیمر و یا الاستومرها، که دارای هیچ پلاریزاسیون ذاتی در ساختار خود نیستند و هیچگونه یونی را نیز شامل نمی‌شوند، کشش خیلی زیادی را با استفاده از میدان های الکتریکی دارای یک جریان الکتریکی پایین نشان می دهند. اتلاف انرژی در صورتی رخ می دهد که گرما خیلی کمتر از مواد پلی الکترولیت متداول باشد. مفاهیم «کشش حلال شارژ تزریقی» و «توزیع شارژ نامتقارن شارژ تزریقی» به عنوان یک مکانیسم ممکن از تغییر شکل عظیم مطرح شده است. از این مفاهیم میتوان برای پلیمرهای متداول غیریونی گوناگون استفاده کرد. مولف قویاً‌انتظار دارد که مفاهیم حوزه محرک را تا حد ماهیچه مصنوعی گسترش دهد و در آینده در تولید میکرو ماشین ها یا نانو ماشین ها مشارکت داشته باشد.

مقدمه تولید

بدن انسان خود یک ارگانیسم تنظیم دمایی خودکار است. بدن انسان دائماً در حال تولید گرما، Co₂ و H₂o بوسیله متابولیسم غذا و فعالیت ماهیچه ای است. بدن انسان سرعت رهاسازی گرما از طریق انبساط رگهای خونی یا انقباض آنها، فعالیت غدد تعریق و ماهیچه ای و غیره را کنترل می کند و سپس دمای بدن را تنظیم می نماید.

نشان داده شده که راحت ترین دمای پوست  4/33 است. هنگامی که دمای هر بخش از پوست بین 5/1 تا 3 از این دمای ایده آل اختلاف پیدا می‌کند، بدن انسان از سردی یا گرمی ناآگاه است. اگر این اختلاف بیش از 5/4 باشد، بدن انسان احساس ناراحتی می‌کند. علاوه بر این، یک دمای هسته بدن به میزان 5/36 لازم است و افزایش یا کاهش 5/1 میتواند مهلک باشد. تعادل بین سرعت اتلاف گرما و گرمای تولید شده باید حفظ شود. زمانی که مقاومت گرمایی از پوشاک آنها ناکافی باشد و یک فرد به مدت طولانی در یک شرایط دمایی نسبتاً پایین قرار بگیرد، دمای بدن افت می کند. بدن انسان باید با خوردن غذای بیشتر یا افزایش تمرین گرمای بیشتری تولید کند. همچنین بدن با منقبض کردن مویرگ های خونی درون پوست با اتلاف گرما تطبیق داده می شود. اگر دمای هسته کمتر از 35 باشد هیپوترمیا می تواند رخ دهد. برعکس در یک محیط داغ بدن باید خودش را خنک کند. بدن گرما تولید می کند و گرمای جذب شده بوسیله پوست از محیط باید پراکنده شود. در این شرایط بدن مویرگ های خونی را گشاد می کند که باعث تبخیر آب پخش شده از بدن می گردد و در نتیجه اثر خنک کنندگی را افزایش می دهد. این عمل به تعریق تدریجی معروف است. اگر دمای محیط افزایش بیشتری پیدا کند، بدن غدد تعریق را فعال نموده و آب مایع را تبخیر می کند تا خنک سازی افزایش یابد که به تعریق نمایان معروف است. در بعضی محیط های خاص در اثر دمای زیاد یا مقاومت گرمایی زیاد لباس، در صورتی که بدن نتواند گرمای کافی را دفع کند ممکن است هایپرترمیا رخ بدهد.

مداد سنتی عایق گرما مانند لباس های نخی، کنف، ابریشم، پشم و پولیستر ، پلی آمید و الیاف پلی اکریل و غیره درجه ای از مقاومت در مقابل اتلاف گرمای بدن ایجاد می کند که بوسیله تعدادی از بسته های هوای موجود در لباس تعیین شده است. منسوجات جذب کننده گزینش اشعه خورشید که از اواخر 1980 تولید شده اند می توانند اشعه مادون قرمز خورشید را جذب و آن را به گرما تبدیل کنند،‌بنابراین باعث افزایش دمای داخلی پوشاک می گردد. منسوجات مادون قرمز دور که از اواخر 1980 تولید شده اند می توانند اشعه مادون قرمز دور تابش از بدن را جذب نموده به گرما تبدیل کنند و باعث افزایش مقاومت گرمایی شوند. لباس های جاذب نور فرابنفش و خنک کننده که از ابتدای 1990 تولید صنعتی شده اند میتوانند نور فرابنفش را جذب و اشعه های نزدیک به فروسرخ از خورشید را بازتاب دهند و باعث پاین آمدن دمای داخلی پوشاک شوند. تمام این منسوجات جدید اصلی مواد عایق گرما و تنظیم کننده دمای یک سویه هستند.

تاریخ تولید و گسترش

پوشاک و منسوجات ذخیره کننده گرما و تنظیم کننده دما مفاهیمی جدیدتر هستند. اینها محصولات جدید تنظیم کننده دما و دو طرفه هستند و به مدت بیش از 30 سال مورد مطالعه قرار گرفته اند. تاریخ تولید پوشاک و منسوجات ذخیره کننده گرما و تنظیم کننده دما در جدول 1-3 آورده شده است. دانشمندان به گونه ای فزاینده فرایند تولید و ویژگیهای پوشاک و منسوجات ذخیره کننده گرما و تنظیم کننده دما را به مدت چند دهه مورد مطالعه قرار داده اند. گزارش های بیشتری درباره مقاومت گرمایی فعال و اساسی و کاربردهای آن در آینده ای نزدیک ارائه خواهد شد.

اساس مواد ذخیره کننده گرما (گرماگیر)

سه نوع ذخیره کننده گرما وجود دارد: گرماگیرهای آشکار، پنهان و واکنش شیمیایی . گرماگیرهای پنهان مهمترین راه ذخیره سازی گرما است و گرماگیر تغییر فاز نیز نامیده می شود. مواد گرماگیر پنهان بطور گسترده در طول حدود 40 سال مورد استفاده قرار گرفته است.

اداره ملی هوافضای آمریکا (NASA) پژوهش کاربردی درباره مواد گرماگیر پنهان را برای آزمایشگاه فضایی در سال 1960 شدت بخشید. از این مواد برای بهبود حفاظت ابزار و فضانوردان در مقابل نوسانات بسیار زیاد دما در فضا استفاده می شد. از مواد گرماگیر پنهان در وسائل نقلیه قمری و پروژه آزمایشگاهی آسمان برای ماموریت آپولو 15 در سال 1980 استفاده شد.

پوشاکهای گرماگیر و سازگار با گرما

پوشاک های گردش آب

از این نوع پوشاک معمولاً بعنوان پوشاک محافظ برای محیط های فوق العاده گرم یا سرد استفاده می شود. این پوشاک از آب معمولی به عنوان یک ماده محسوس گرماگیر استفاده می کند. در زمستان آب گرم و در تابستان آب خنک در داخل لوله هایی که در داخل بدنه لباس یا زیرپوش گردش می کند. یک پمپ باطری دار آب را در داخل لوله با فشار مناسب گردش می دهد. این لباس چند دهه است که تجارتی شده است.

پوشاک منسوج گرماگیر و سازگار با گرما

با پیشرفته تر شدن تکنولوژی تولید منسوجات و الیاف گرماگیر و سازگار با گرما، انواع جدید پوشاک به بازار عرضه می گردد. پارچه های با پوشش PEG که بوسیله شرکت میتسوی تولید شده به عنوان لباس اسکی مورد استفاده قرار می گیرد.

ویژگیهای پوشاک و منسوجات گرماگیر و تنظیم کننده گرما

مقاومت گرمایی سنتی بوسیله روش های استاندارد ایستا اندازه گیری می شود (برای مثال روشهایی که شامل استفاده از یک ابزار صفحه ای داغ محافظ است). اما از نظر پاوس، هیچ کدام از این روشها برای تعیین مواد دارای PCM مناسب نیست، زیرا یک استرس گرمایی پیوسته طولانی می تواند تغییر فاز را فعال کند که منتهی به اندازه گیری هایی می شود که از آنچه باید به دست آید انحراف زیادی پیدا می‌کند. بعضی آزمایش ها هنوز به منظور توانایی تصمیم گیری ما درباره صحت آن، ضروری است. مقاومت گرمایی پارچه های پوشش دار یا بدون ریز کپسول ها بوسیله زاکرمن و همکاران اندازه گیری شد. مقاومت گرمایی پارچه های پوشش دار با ریزکپسول ها بیشتر از پارچه های آغشته نشده است؛ این نتایج در جدول 5-3 و 6-3 فهرست شده اند. علت این امر اساساً عمل ماده چسبنده است که سوراخ های پارچه را مسدود می کند.

ترکیب کردن منسوجات گرماگیر و تنظیم کننده گرما با مواد هواگیر

نتایج آزمایش نشان می دهد که یک منسوج تنظیم کننده گرما که میتواند دمای داخلی را بطور موثر تنظیم کند باید داریا مقاومت گرمایی کافی باشد. چگونگی ترکیب تکنولوژی جذب و دفع گرما با تکنولوژی هواگیر یک عرصه برای پژوهش آتی می باشد.

ترکیب با دیگر تکنولوژی های تبدیل انرژی

کامپاند کربن فلز گذار گروه VI می تواند نزدیک اشعه های مادون قرمز به گرما تبدیل شود. اگر ذرات Zrc به منسوج گرماگیر و تنظیم کننده گرما افزوده شود، آنها می توانند اشعه های نزدیک مادون قرمز خورشید را در روز جذب نموده و آنها را به گرما تبدیل کنند که باعث تغییر فاز PCM درون منسوج از جامد به مایع است. منسوج گرمای خود را رها می کند تا درجه حرارت خود را نسبتاً ثابت نگه دارد، زمانی که دمای درونی پایین تر از نقطه تبلور PCM باشد.

بعضی از هم بسپار های پلی اکریلیک اسید یا پلی اکریل به نیتریل میتوانند رطوبت را از هوا جدا بسازد و گرما را رها سازند. آنها را میتوان به پارچه هایی تبدیل کرد که بتوانند دما و رطوبت داخلی را تنظیم کنند ، اما اینگونه پارچه ها برای توانایی جذب محدود رطوبت مناسب نیستند. اگر پارچه های جاذب رطوبت با پارچه های گرماگیر روکش دار شوند، پارچه های مرکب میتوانند رطوبت یا گرما را جذب نموده و از تغییرات شدید در دمای داخلی جلوگیری کنند. این نوع پارچه برای اسکی و لباس های ورزشی مفید است.