Ingenieurs weven geavanceerde stof die een drager kan afkoelen en opwarmen

Grafisch abstract. Credit: ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.2c04971

Textielingenieurs hebben een stof ontwikkeld die is geweven van ultrafijne nanodraden die deels zijn gemaakt van materialen met faseverandering en andere geavanceerde stoffen die samen een stof vormen die kan reageren op veranderende temperaturen om de drager op te warmen en af ​​te koelen, afhankelijk van de behoefte .

Materiaalwetenschappers hebben een geavanceerd textiel ontworpen met draden op nanoschaal die in hun kern een faseovergangsmateriaal bevatten dat grote hoeveelheden warmte kan opslaan en afgeven wanneer het materiaal van fase verandert van vloeibaar naar vast. Door de draden te combineren met elektrothermische en fotothermische coatings die het effect versterken, hebben ze in wezen een stof ontwikkeld die de drager zowel snel kan afkoelen als opwarmen als de omstandigheden veranderen.

Een paper waarin de fabricagetechniek wordt beschreven, verscheen in: ACS Nano op 10 augustus.

Veel beroepen, van brandweerlieden tot landarbeiders, hebben te maken met harde, warme of koude omgevingen. Koelhuizen, ijsbanen, staalsmederijen, bakkerijen en vele andere werkterreinen vereisen dat werknemers regelmatig wisselen tussen verschillende en soms extreme temperaturen. Dergelijke regelmatige temperatuurwisselingen zijn niet alleen oncomfortabel, maar kunnen ook ziekte of zelfs letsel veroorzaken, en vereisen een omslachtige constante verandering van kleding. Een trui houdt een werknemer warm in een koelcel, maar kan dezelfde werknemer oververhitten als hij die ruimte verlaat.

Een optie om de hitte of koude stress van dergelijke werknemers, of iemand anders, van atleten tot reizigers, die dergelijk ongemak ervaren, te verlichten, is de opkomende technologie van textiel voor persoonlijk thermisch beheer. Deze stoffen kunnen de temperatuur van gelokaliseerde gebieden rond het lichaam direct regelen.

Dergelijke stoffen maken vaak gebruik van faseovergangsmaterialen (PCM’s) die grote hoeveelheden warmte kunnen opslaan en later afgeven wanneer het materiaal van fase verandert (of de toestand van de materie, bijvoorbeeld van vast naar vloeibaar).

Een dergelijk materiaal is paraffine, dat in principe op verschillende manieren in een textielmateriaal kan worden verwerkt. Wanneer de temperatuur van de omgeving rond de paraffine het smeltpunt bereikt, verandert de fysieke toestand van vast in vloeibaar, wat een absorptie van warmte met zich meebrengt. Dan komt er warmte vrij wanneer de temperatuur het vriespunt van paraffine bereikt.

Helaas heeft de inherent solide stijfheid van PCM’s in hun vaste vorm en lekkage wanneer vloeistof tot nu toe hun toepassing op het gebied van draagbare thermische regulering gehinderd. Een aantal verschillende strategieën, waaronder micro-inkapseling (waarbij het PCM, zoals paraffine is gecoat in extreem kleine capsules), is geprobeerd om de ‘verpakkingsefficiëntie’ te verbeteren om de stijfheid en lekkageproblemen te overwinnen.

“Het probleem hier is dat de fabricagemethoden voor microcapsules met faseverandering complex en erg duur zijn”, zegt Hideaki Morikawa, corresponderend auteur van het artikel en een geavanceerde textielingenieur bij het Institute for Fiber Engineering aan de Shinshu University. “Erger nog, deze optie biedt onvoldoende flexibiliteit voor elke realistisch draagbare toepassing.”

Schematische illustraties van (a) fabricageproces van de hiërarchische kern-omhulsel geconstrueerde vezels, (b) coaxiale elektrospinning, (c) omkeerbaar faseveranderingsproces van kernmateriaal, (d) zonneverwarmingseffect, (e) Joule verwarmingseffect, en ( f) verschillende grensvlakinteracties. Credit: ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.2c04971

Dus wendden de onderzoekers zich tot een optie die coaxiale elektrospinning wordt genoemd. Electrospinning is een methode om uiterst fijne vezels te vervaardigen met diameters in de orde van nanometers. Wanneer een polymeeroplossing in een bulkreservoir, typisch een injectiespuit met een naald, wordt aangesloten op een hoogspanningsbron, accumuleert elektrische lading op het oppervlak van de vloeistof.

Al snel wordt een punt bereikt waar de elektrostatische afstoting van de opgehoopte lading groter is dan de oppervlaktespanning en dit resulteert in een extreem fijne straal van de vloeistof. Terwijl de vloeistofstraal tijdens de vlucht droogt, wordt deze verder verlengd door dezelfde elektrostatische afstoting die aanleiding gaf tot de straal, en de resulterende ultrafijne vezel wordt vervolgens verzameld op een trommel.

Coaxiaal elektrospinnen is vrijwel hetzelfde, maar omvat twee of meer polymeeroplossingen die worden gevoed vanuit aangrenzende spindoppen, waardoor de productie van gecoate of holle nanovezels mogelijk wordt. Deze kern-en-mantelvezels hebben een vergelijkbare structuur als de coaxkabel die je op je stereo zou kunnen gebruiken, maar zijn veel, veel kleiner.

In dit geval hebben de onderzoekers de PCM in het midden van de elektrospun nanovezel ingekapseld om het probleem van PCM-lekkage op te lossen. Bovendien maken de ultrafijne vezels een uiterst gunstige flexibiliteit mogelijk die geschikt is voor menselijke kleding.

Om het scala aan werkomgevingen waar het textiel zou werken, en de precisie van thermische regeling verder uit te breiden, koppelden de onderzoekers het PCM-materiaal aan twee andere persoonlijke thermische regeltechnologieën.

Het combineren van fotogevoelige materialen – materialen die reageren op de aanwezigheid van zonne-energie – met PCM’s biedt mogelijk de mogelijkheid om de energieopslagcapaciteit van het textiel nog verder te vergroten. Bovendien kan het coaten van het composietmateriaal met polymeren die elektriciteit omzetten in warmte (een elektrothermisch geleidende coating) een vergelijkbare uitbreiding van de energieopslag compenseren als de werknemer zich in bewolkte, regenachtige of binnenomstandigheden bevindt.

De onderzoekers combineerden de drie opties – PCM’s, koolstofnanobuisjes en polydopamine zonneabsorbers en elektrisch geleidende polymeren gemaakt van poly (3,4-ethyleendioxythiofeen): polystyreensulfonaat (bekend als “PEDOT: PSS”) – in een enkele “trimode” thermoregulerende en draagbaar textiel.

Deze multi-core en shell-structuur maakt synergetische samenwerking tussen de verschillende componenten mogelijk en levert on-demand thermische regeling die zich kan aanpassen aan een breed scala aan omgevingstemperatuurveranderingen.

De onderzoekers streven er nu naar om de faseovergangseigenschappen van de stof nog verder te verbeteren en praktische, draagbare toepassingen voor hun materiaal te ontwikkelen.