Naukowcy opracowali powłokę na bazie kredy do tekstyliów, która może obniżyć temperaturę powietrza pod tkaniną nawet o 8°F.
Ta zrównoważona technologia, wykorzystująca węglan wapnia i siarczan baru, odbija światło UV i bliską podczerwień, zwiększając komfort bez zużycia energii. Trwałość powłoki została potwierdzona w testach symulacyjnych, obiecujących do stosowania w gorącym klimacie.
Innowacje w zakresie tkanin chłodzących
W upalne lato każdy, kto spędza czas na świeżym powietrzu – sportowcy, architekci krajobrazu, dzieci w parku czy plażowicze – może skorzystać z tkaniny chłodzącej. Chociaż istnieją tekstylia, które odbijają promienie słoneczne lub odprowadzają ciepło z ciała, obecne opcje wymagają włókien butikowych lub skomplikowanych procesów produkcyjnych. Jednak teraz naukowcy zgłaszają trwałą powłokę na bazie kredy, która schładza powietrze pod impregnowaną tkaniną nawet o 8 stopni Fahrenheita.
Evan D. Patamia, absolwent Uniwersytetu Massachusetts Amherst, zaprezentuje wyniki swojego zespołu na jesiennym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego (ACS). ACS Fall 2024 to spotkanie hybrydowe odbywające się wirtualnie i osobiście w dniach 18–22 sierpnia; zawiera około 10 000 prezentacji na różne tematy naukowe.
„Jeśli wyjdziesz na światło słoneczne, będzie Ci coraz bardziej gorąco, ponieważ Twoje ciało i ubranie pochłaniają światło ultrafioletowe (UV) i bliską podczerwień (bliską podczerwień) słońca” – mówi Trisha L. Andrew, chemik i materiały naukowiec współpracujący z Patamią. „I dopóki żyjesz, twoje ciało wytwarza ciepło, które można również uznać za światło”.
Zrównoważony rozwój tekstyliów
Aby zapewnić ludziom większy komfort na świeżym powietrzu, naukowcy opracowali tekstylia, które jednocześnie odbijają promienie słoneczne i wypychają naturalną ciepłotę ciała – proces znany jako chłodzenie radiacyjne. Niektóre z tych materiałów zawierają załamujące światło cząstki syntetyczne, takie jak dwutlenek tytanu lub tlenek glinu, osadzone we włóknach przędzionych. Inni używają polimerów organicznych, takich jak difluorek poliwinylidenu, które w swoich procesach produkcyjnych wymagają substancji perfluoroalkilowych i polifluoroalkilowych, znanych jako PFAS lub zawsze chemikalia, aby stworzyć tekstylia odbijające światło.
Zdaniem Andrew jednak skalowanie produkcji tych materiałów w celu ich komercjalizacji nie jest zrównoważone. Zadała więc pytanie członkom zespołu badawczego Patamii i Megan K. Yee: „Czy możemy opracować powłokę tekstylną, która działa w ten sam sposób, przy użyciu materiałów naturalnych lub łagodnych dla środowiska?”
Nowa metodologia powlekania
Wcześniej Andrew i współpracownicy opracowali prostą technikę nakładania trwałych powłok polimerowych na tkaniny, zwaną chemicznym osadzaniem z fazy gazowej (CVD). Metoda łączy syntezę i osadzanie w tym samym etapie: szczepienie cienkiej warstwy polimeru na dostępnych w handlu tekstyliach w mniejszej liczbie etapów i mniejszym wpływie na środowisko niż inne sposoby mocowania powłok.
Tak więc, zainspirowani kruszonymi tynkami na bazie wapienia używanymi w przeszłości do utrzymywania chłodu w domach w wyjątkowo nasłonecznionych miejscach, Patamia i Yee pracowali nad innowacyjnym procesem integracji węglanu wapnia – głównego składnika wapienia i kredy – a także biokompatybilnego siarczanu baru na polimer nałożony metodą CVD. Małe cząstki węglanu wapnia dobrze odbijają fale widzialne i bliskie podczerwieni, a cząstki siarczanu baru odbijają światło UV.
Efektywność i skalowalność
Badając małe kwadraty tkaniny, badacze nałożyli warstwę poli(akrylanu 2-hydroksyetylu) o grubości 5 mikrometrów i wielokrotnie zanurzali poddane obróbce polimerem kwadraty w roztworach zawierających jony wapnia lub baru oraz roztworach zawierających jony węglanowe lub siarczanowe. Z każdym zanurzeniem kryształki stają się większe i bardziej jednolite, a tkanina zyskuje kredowe, matowe wykończenie. Patamia twierdzi, że zmieniając liczbę cykli zanurzania, cząstki można dostroić tak, aby osiągnęły idealny rozkład wielkości (średnica od 1 do 10 mikrometrów) umożliwiający odbijanie zarówno światła UV, jak i bliskiej podczerwieni.
Naukowcy przetestowali zdolność chłodzenia poddanych obróbce i niepoddanych obróbce tkanin na zewnątrz w słoneczny dzień, gdy temperatura przekraczała 30 stopni. Zaobserwowali temperaturę powietrza pod poddaną obróbce tkaniną, która była o 8 stopni niższa od temperatury otoczenia w środku popołudnia. Różnica była jeszcze większa, maksymalnie 15 F, pomiędzy tkaniną poddaną obróbce i niepoddaną obróbce, co spowodowało nagrzanie powietrza pod próbką. „Widzimy prawdziwy efekt chłodzenia” – mówi Patamia. „To, co znajduje się pod próbką, wydaje się zimniejsze niż stanie w cieniu”.
W ramach ostatecznej oceny powłoki mineralno-polimerowej Yee przeprowadził symulację tarcia i wpływu detergentu do prania w pralce. Odkryła, że powłoka nie ścierała się, a materiał zachował zdolność chłodzenia.
„Do tej pory w naszych procesach ograniczał nas rozmiar naszego sprzętu laboratoryjnego” – mówi Andrew. Należy jednak do start-upu, który skaluje proces CVD w przypadku belek tkaniny o szerokości około 5 stóp i długości 100 metrów. Andrew wyjaśnia, że to przedsięwzięcie może umożliwić przełożenie innowacji Patamii i Yee na produkcję na skalę pilotażową.
„To, co czyni naszą technikę wyjątkową, polega na tym, że możemy to zrobić na prawie każdym dostępnym na rynku materiale i przekształcić ją w coś, co zapewni ludziom chłód” – podsumowuje Patamia. „Bez poboru mocy jesteśmy w stanie zmniejszyć uczucie gorąca, co może być cennym zasobem, gdy ludzie starają się zachować chłód w wyjątkowo gorącym otoczeniu”.
Spotkanie: ACS, jesień 2024
Badania sfinansowała amerykańska National Science Foundation. Trisha L. Andrew zajmuje się komercjalizacją procesu powlekania polimerem.
Tytuł
Funkcjonalne odblaskowe powłoki tekstylne do chłodzenia osobistego
Abstrakcyjny
W miarę jak skutki zmian klimatycznych stają się coraz bardziej dotkliwe i powszechne, utrzymanie osobistej homeostazy termicznej staje się zarówno niezbędne do przetrwania, jak i coraz bardziej energochłonne. Zasadniczo zaawansowane tekstylia i odzież mogą, oprócz prostej konwekcji, wykorzystywać absorpcję i/lub odbicie światła do ogrzewania lub chłodzenia ciał w ekstremalnych warunkach temperaturowych. W szczególności do chłodzenia powierzchnie zdolne do selektywnego odbijania lub załamywania fal o wysokiej energii (200 nm–2,5 um) podczas transmisji lub emisji światła podczerwonego (8–13 um) charakteryzują się zdolnością do utrzymywania niższej temperatury ciała, nawet pod wpływem bezpośredniego światła słonecznego i otwarte niebo. W tym miejscu przedstawiamy wytyczne dotyczące projektowania tekstyliów do pasywnego chłodzenia osobistego za pomocą rozproszonego odbicia światła. Stwierdzono, że biokompatybilne mikro/nanocząstki węglanu wapnia i siarczanu baru służą jako odpowiednie materiały optyczne do chłodzenia poprzez odbicie rozproszone. Symulacje w domenie czasu różnic skończonych ujawniają zaskakująco, że powłoki tekstylne zawierające polidyspersyjną mieszaninę nano/mikrokryształów CaCO3 i BaSO4 zapewniają najwyższą skuteczność odbicia w szerokim spektrum w porównaniu z wytłaczanymi włóknami metamateriałowymi zawierającymi cząstki osadzone w matrycy polimerowej. Opisano etapowy proces tworzenia polidyspersyjnych nano/mikrokrystalicznych powłok tekstylnych CaCO3 i BaSO4. Dzięki zastosowaniu fotoinicjowanego chemicznego osadzania z fazy gazowej (pICVD) na podłożu tkaniny osadzono warstwę hydrofilowego polimeru polihydroksyetylenoakrylanu (pHEA) o grubości 5 µm. Następnie, poprzez seryjne zanurzanie w roztworach zawierających jony Ca i Ba oraz roztwory zawierające jony CO3 i SO4, bezpośrednio na powierzchni tkaniny wyhodowano mikrokryształy nieorganiczne. Podczas testów na zewnątrz tekstylia pokryte polidyspersyjnymi nano/mikrokryształami CaCO3 i BaSO4 wykazały zdolność chłodzenia do 8°C w porównaniu z próbką niepowlekaną, osiągając maksymalne chłodzenie o 4°C poniżej temperatury otoczenia. Mycie i badania trwałości powłoki nie wykazały pogorszenia właściwości materiału, potwierdzając jego sprężystość i długoterminową skuteczność.
