Materiale textile inteligente-funcționale

Deşi introdusă de mai multe decenii, noţiunea de “materiale inteligente” a început să fie folosită cu frecvenţă în anii ´90 pentru a defini materiale care prezintă un comportament dinamic, modificându-şi proprietăţile sub acţiunea unui factor extern (figura 1.).

Figura 1. Comportamentul dinamic al materialelor inteligente

Atât natura stimulului cât şi a răspunsului pentru aceste materiale sunt extrem de diverse. Astfel, factorii externi includ câmpuri magnetice sau electrice, variaţii ale regimului termic, acţiuni mecanice, etc. Materialele inteligente pot să-şi modifice faza, gradul de vâscozitate, dimensiunile, proprietăţile electrice, caracteristici legate de aspect, etc.

Materialele inteligente sunt realizate prin introducerea unor substanţe cu proprietăţi speciale - polimeri, substanţe ceramice, aliaje metalice, parafine şi săruri – în materiale de diferite naturi – textile, metale sau aliaje, plastic, microprocesoare, ciment sau alte materiale pentru construcţii, etc. Pe lângă termenul de “materiale inteligente” se mai folosesc şi: “materiale active”, “materiale adaptabile”, iar uneori pot fi incluse şi în categoria actuatori / senzori. Termenul “inteligent” mai poate fi întâlnit asociat la noţiunea de sistem sau de structură. Toată această complexitate de materiale, comportament dinamic şi aplicaţii face incompletă orice clasificare.

Materiale textile inteligente

Materialele textile inteligente (MTI) reprezintă următoarea generaţie de fibre materiale şi produse textile şi pot fi descrise conform definiţiei generale ca “gândind”, adaptându-şi proprietăţile conform condiţiilor externe. Între altele, aceste materiale pot:

- Să-şi schimbe culoarea,

- Să genereze şi să transfere căldură utilizând curentul electric sau modificarea de fază

- Fi folosite ca senzori, sensibili la modificările de temperatură din mediu sau din corpul uman

- Să memoreze forme şi să revină la forma anterioară, în general sub acţiunea căldurii

Cele mai importante grupe de materiale textile inteligente sunt:

- Materiale PCM (Phase Change Materials), materiale care îşi modifică faza;

- Materiale SMM (Shape Memory Materials), materiale care memorează forma;

- Materiale conductive, materiale cu proprietăţi conductive şi textile electronice

- Materiale cromice, materiale care îşi modifică culoarea.

1. Materiale textile care îşi modifică faza (PCM)

Materialele capabile să-şi modifice faza sunt substanţe care absorb sau eliberează cantităţi semnificative de energie pe durata procesului de topire, solidificare sau sublimare. Această caracteristică poate fi utilizată pentru asigurarea unui control dinamic al fluxului termic, materialul funcţionând ca o interfaţă termică cu exteriorul.

Toate aplicaţiile posibile sunt caracterizate de un ciclu termic, nu de un regim termic constant. Datorită costurilor ridicate, materialele PCM sunt folosite în condiţii restrictive de spaţiu, în care alte tipuri de dispozitive de stocare a energiei termice sunt inutilizabile. Aceste materiale îşi găsesc aplicaţii din cele mai diverse, cum ar fi telecomunicaţii, stocarea de energie termică / sisteme de protecţie termică, agricultură, construcţii, industria spaţială, etc.

Spre deosebire de materialele convenţionale, o dată atins punctul de topire, materialul PCM absoarbe energie fără a-şi modifica temperatura. În procesul de solidificare materialul eliberează energia stocată. În domeniul termic al confortului uman (200 – 300) PCM sunt extrem de efective, putând stoca o cantitate de 5 până la 14 ori mai mare decât în cazul materialelor convenţionale, precum apa sau roci.

Cele mai importante materiale PCM sunt materialele de tip “solid – lichid”. Indiferent de faza normală a unui astfel de material, ambele procese îşi găsesc aplicabilitate, fie pentru încălzirea mediului, fie pentru răcire. La trecerea la faza lichidă , materialul stochează o cantitate mare de energie. Temperatura rămâne constantă pe întreaga durată a procesului de topire. Din acest motiv, energia acumulată este numită căldură latentă sau ascunsă. Pentru a exemplifica eficienţa acestor materiale (figura 1. ), în intervalul de temperatură de 700 - 800 C, materialul PCM 72 al firmei Merck poate stoca de 4 ori mai multă energie termică decât apa şi de 10 ori mai multă decât piatra sau cărămida.

Cele mai potrivite materiale pentru stocarea şi reutilizarea căldurii latente sunt sărurile inorganice şi amestecurile de săruri, precum şi parafinele.

Figura 2. Comparaţie între energia termică stocată de apă şi PCM 72

Produse de îmbrăcăminte PCM

Aspecte teoretice

Produsele de îmbrăcăminte realizate din acest tip de materiale trebuie să asigure o balanţă termică între căldura generată de corpul uman pe durata efortului fizic şi căldura eliberată în mediul înconjurător. Această cerinţă nu este întotdeauna respectată de îmbrăcămintea convenţională. Deseori, căldura generată de corp pe durata unui efort fizic intens nu este disipată complet în exterior, producând situaţii de stress termic. În plus, în perioadele de relaxare între activităţile fizice, corpul eliberează mai puţină căldură, putând apare hipotermia.