Ученые-материаловеды разработали усовершенствованный текстиль с нитями наноразмерного размера, содержащими в своей сердцевине материал с фазовым переходом, который может накапливать и выделять большое количество тепла, когда материал меняет фазу с жидкой на твердую. Комбинируя нити с электротермическими и фототермическими покрытиями, которые усиливают эффект, они, по сути, разработали ткань, которая может как быстро охлаждать владельца, так и согревать его при изменении условий.

Статья, описывающая технологию производства, появилась в журнале Американского химического общества ACS Нано 10 августа.

Многие профессии, от пожарных до работников на фермах, связаны с суровыми условиями в жару или холод. Холодильные камеры, катки, сталелитейные кузницы, пекарни и многие другие рабочие места требуют от работников частых переходов между различными, а иногда и экстремальными температурами. Такие регулярные перепады температуры не только неудобны, но и могут вызвать заболевание или даже травму, а также требуют громоздкой постоянной смены одежды. Свитер согреет работника в холодильной камере для мяса, но может привести к перегреву того же работника, когда он покинет это помещение.

Одним из способов снять стресс от жары или холода у таких работников или у кого-либо еще, от спортсменов до путешественников, которые испытывают подобный дискомфорт, является новая технология индивидуального терморегулирующего текстиля. Эти ткани могут напрямую регулировать температуру локализованных участков по всему телу.

В таких тканях часто используются материалы с фазовым переходом (PCM), которые могут накапливать, а затем выделять большое количество тепла, когда материал меняет фазу (или состояние вещества, например, с твердого на жидкое).

Одним из таких материалов является парафин, который в принципе может быть включен в текстильный материал различными способами. Когда температура окружающей среды вокруг парафина достигает точки плавления, его физическое состояние меняется с твердого на жидкое, что связано с поглощением тепла. Затем выделяется тепло, когда температура достигает точки замерзания парафина.

К сожалению, присущая ПКМ жесткость в твердом виде и утечка в жидком состоянии до сих пор препятствовали их применению в области терморегулирования носимых устройств. Был предпринят ряд различных стратегий, включая микрокапсулирование (при котором PCM, такой как парафин, покрывается чрезвычайно маленькими капсулами), для повышения "эффективности упаковки", чтобы преодолеть проблемы жесткости и утечки.

"Проблема здесь заключалась в том, что методы изготовления микрокапсул с фазовым переходом сложны и очень дороги", - сказал Хидеаки Морикава, автор-корреспондент статьи и продвинутый инженер по текстилю из Института волоконной инженерии Университета Синшу. "Что еще хуже, этот вариант обеспечивает недостаточную гибкость для любого реально носимого приложения".

Поэтому исследователи обратились к варианту, называемому коаксиальным электроспиннингом. Электроспиннинг - это метод изготовления чрезвычайно тонких волокон диаметром порядка нанометров. Когда раствор полимера, содержащийся в объемном резервуаре, обычно шприце с наконечником иглы, подсоединяется к высоковольтному источнику питания, электрический заряд накапливается на поверхности жидкости. Вскоре достигается точка, где электростатическое отталкивание от накопленного заряда больше, чем поверхностное натяжение, и это приводит к чрезвычайно тонкой струе жидкости. Когда струя жидкости высыхает в полете, она еще больше удлиняется за счет того же электростатического отталкивания, которое породило струю, и полученное в результате ультратонкое волокно затем собирается на барабане.

Коаксиальное электроформование во многом аналогично, но включает в себя два или более полимерных раствора, подаваемых из соседних фильер, что позволяет получать покрытые или полые нановолокна. Эти волокна с сердечником и оболочкой имеют структуру, аналогичную коаксиальному кабелю, который можно использовать в стереосистеме, но они намного, намного меньше.

В этом случае исследователи инкапсулировали PCM в центр электроспирального нановолокна, чтобы решить проблему утечки PCM. Кроме того, ультратонкие волокна обеспечивают чрезвычайно благоприятную гибкость, подходящую для человеческой одежды.

Чтобы еще больше расширить диапазон рабочих сред, в которых будет использоваться текстиль, и повысить точность терморегулирования, исследователи объединили материал PCM с двумя другими персональными технологиями терморегулирования.

Сочетание фотореактивных материалов - тех, которые реагируют на присутствие солнечной энергии, - с PCMs потенциально дает возможность еще больше повысить способность текстиля к накоплению энергии. Кроме того, покрытие композитного материала полимерами, преобразующими электричество в тепло (электротермическое проводящее покрытие), может компенсировать аналогичное увеличение запаса энергии, если работник окажется в облачных, дождливых или закрытых условиях.

Исследователи объединили три варианта - PCMs, поглотители солнечных лучей из углеродных нанотрубок и полидопамина, а также электропроводящие полимеры, изготовленные из поли (3,4-этилендиокситиофена): полистиролсульфоната (известного как "PEDOT: PSS") - в единый терморегулирующий и пригодный для носки текстиль "trimode".

Эта многоядерная структура с оболочкой обеспечивает синергетическое взаимодействие между различными компонентами и обеспечивает терморегулирование по требованию, которое может адаптироваться к широкому диапазону изменений температуры окружающей среды.

В настоящее время исследователи стремятся еще больше улучшить свойства ткани с фазовым переходом и разработать практические, пригодные для носки приложения для своего материала.