Мы доставляем в
Кеймбридж
Объединяя электронные, фотонные, сенсорные и энергетические функции, мы можем создать совершенно новый класс интеллектуальных устройств и систем на текстильной основе. В последнее время цифровые решения в текстиле продемонстрировали обнадеживающие улучшения в разных секторах экономики, как в медицине, спорте, обороне, производстве, развлечение, повышая его полезность для конечного пользователя.
Область деятельности, связанная с «умным» текстилем, включает в себя знания и навыки на стыке таких направлений, как материаловедение, физика, химия, биология, экология, информатика. Применяемые технологии являются научным продолжением тех знаний и навыков, которые человечество накапливало в течение тысячелетий, на каждом из этапов подражая природе:
Получаемые в рамках такой разработки материалы получили общее название smart textiles, которые уже стали самостоятельной концепцией и сегодня в рамках экспериментальных проектов рассматриваются с различных точек зрения, а в некоторых случаях, продукты относящиеся к этой отрасли научных знаний давно переведены на коммерческую основу.
С момента их первого появления на рынке в конце 1980-х годов в Японии (где была использована шелковая нить с эффектом памяти) в смарт текстиль были привлечены значительные инвестиции, мотивированные растущей потребностью в материалах с высокой ценность для потребителя. В настоящее время smart textiles со специфическими функциями (такими как, например, интеллектуальные текстильные приложения включающие электрическую стимуляцию мышц и приложения для медицинских носимых датчиков, в том числе ЭКГ, ЭМГ и ЭЭГ, средства индивидуальной защиты, которые могут регулировать температуру и контролировать мышечный тонус, экипировка военного с беспроводной связью) становится все более востребованным. И поскольку, возможности инновационного текстиля, расширяющего общую полезность и функциональность стандартных тканей, огромны, область применения продукта также существенно расширилась, от сферы индивидуальной одежды до медицины, экологии, военной и аэрокосмической областей, транспорта, моды и развлечений. И как следствие, умные текстильные устройства требуют междисциплинарного подхода к проектированию схем для разработки интеллектуальных тканей, где знания о материаловедении, микроэлектронике, физике и химии объединяются с глубоким пониманием текстильного производства для достижения оптимальных результатов.
Определение, классификация умного текстиля: категории и разновидности
По сути, умный текстиль описывает новую категорию текстиля, который способен воспринимать и/или реагировать и/или адаптироваться к внешним условиям или стимулам.
Существует много определений этой новой категории текстиля и большинства авторов подходят к описанию предмета этой области знаний с позиции перечисления значимых характеристик, компонентной базы smart textiles, и качеств взаимодействия со средой окружения, основанных на данных концепций, исследовательских работ, сведениях полученных при испытании прототипов и данных внедренных продуктов (и тех инновационных продуктов, которые еще не переведены на коммерческую основу).
Отсутствие единого подхода в описании этой новой дисциплины, на мой взгляд, происходит из-за отсутствия общего понимания предмета, не выработанных единых стандартов, а также из-за огромных возможностей, которые открывает перед людьми эта область знаний.
Так например, еще недавно «стираемость» электронного текстиля рассматривалась, как одно из основных препятствий на пути к более широкому рыночному успеху изделий из е-текстиля. До сих пор не существует стандартизированных методов тестирования e-textiles на стирку. Таким образом, разные электронные ткани, которые их разработчики считают одинаково пригодными для стирки, могут иметь очень разные диапазоны надежности после многократной стирки. Для решения этой проблемы был разработан и проверен протокол тестирования стирки электронного текстиля, основанный на методах тестирования, предусмотренных стандартом ISO 6330 (российский аналог ГОСТ ISO 6330-2011, в п.5, которого записано: Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ISO 6330:2000 Textiles. Domestic washing and drying procedures for textile testing ).
Приведу еще несколько примеров встречающихся в литературе для описания изучаемого предмета. Проект SmartX определяет «умный» текстиль как материалы, компоненты, продукты с использованием комбинации текстильных волокон, пряжи или тканей, объединенных/интегрированных/собранных с электронными компонентами, такими как провода, микросистемы, датчики, приводы, накопители энергии, чтобы реализовать интеллектуальную функцию, которая повышает ценность продукта или услуги для конечного пользователя.
Или, что-то в таком роде, с сайта «study.com». Умный текстиль, или умные ткани, представляют собой тип тканого материала, который содержит цифровой компонент (например, батареи, датчики или электронный чип), который позволяет ткани выполнять широкий спектр функций Вот другой пример. Умный текстиль - это интеллектуальные текстильные структуры или ткани, которые могут воспринимать и реагировать на раздражители окружающей среды, которые могут быть, среди прочего, механическими, термическими, химическими, биологическими и магнитными. Еще одно определение, которое по замыслу авторов, отражает сущность смарт текстиля. Умный текстиль - это волокна, пряжа и ткани, разработанные и произведенные с использованием методик, позволяющих улучшить их функциональные характеристики.
Как уже отмечалось, приведенные выше примеры не всегда правильно трактуют, возникшую на стыке многих областей знаний, новую категорию текстиля. Однако, во всех вариантах есть общее – авторы определений указывают общий вектор направления развития этих новых удивительных материалов. За всю историю развития текстильного дела, человечество впервые перешагнуло порог, отделяющий нас от ткани будущего.
В отличие от традиционной «жесткой» электроники или присоединяемых датчиков, умные текстильные системы могут изменяться по форме, растягиваться, сгибаться и скручиваться, поэтому, например, они способны обнаруживать и измерять движения человеческого тела без дискомфорта для носителя и передавать необходимую информацию о нашем здоровье.
Так называется общая концепция умного текстиля, которая без швов и крепежей взаимодействует с внедрёнными интерактивными структурами: микрочипами, контролерами, приводами, датчиками, элементами проводки — и решает расширенный спектр задач по сравнению с обычным текстилем.
В рамках концепции используются и другие, более узкие формулировки, определяющие разные категории умного текстиля. Однако, надо отметить, что деление это достаточно условное, поскольку добавление функционального компонента в текстиль какой-либо категории для придания материалу дополнительных интеллектуальных возможностей автоматически переводит его в другую категорию, как например, включение в терморегулирующую ткань электронных устройств позволит причислить этот материал к электронному текстилю.
И так, остановимся на наиболее значимых видах семейства «умного» текстиля:
- Инженерный текстиль - создаётся под конкретные запросы, сочетается с компонентами на основе искусственных материалов для придания ему уникальных физических и/или химических качеств (со стеклом, керамикой, металлом или углеродом для создания легких гибридов с невероятными свойствами), может менять цвет, текстуру и форму под внешним воздействием. Например, этот вид материала используется в качестве конструктивных элементов машин (композитные материалы), для создания каркасных тентовых сооружений, армирования несущих конструкций, для диагностики строительных элементов на предмет выявления деформаций.
- Биомиметический текстиль — ткани, у которых структура изменена на молекулярном уровне, за счёт чего они реагируют на внешние стимулы по аналогии с природным прототипом (очень перспективное направление в материаловедение, поскольку позволит создавать функциональные материалы без применения электронных компонентов или с их минимальным участием). Например, шелк паука представляет собой натуральное полимерное волокно с высокой прочностью на растяжение, ударной вязкостью и обладает отличными тепловыми, оптическими и биосовместимыми свойствами. Кроме того, шелк паука также демонстрирует замечательные свойства в отношении реакции на влажность / воду, пропускания света, теплопроводности и эффекта памяти формы. Все это побуждает исследователей создавать искусственные функциональные волокна, имитирующие шелк паука.
- Наноткани - модифицированы за счёт наночастиц, как правило чтобы сохранить внешние параметры, так что визуально материал похож на изначальный, но на функциональном уровне наноткани значительно его превосходят. Наночастицы (наночастицы серебра, нанопоры, нановискеры и т. д.) используются вместе с текстилем для улучшения желаемых характеристик, таких как: антимикробные свойства, водонепроницаемость, антистатичность, защита от УФ-излучения, цветостойкость, грязеотталкивающие качества, устойчивость к запаху, устойчивость к пятнам, износостойкость, а также они обладают лучшими тепловыми характеристиками. К основным типам используемых нанотехнологий относятся ткани с нанопокрытием, нанопористые ткани, материалы состоящие из полотен нановолокон, и композиционные на основе наноструктур. Так, например, нанонити (ННК) продемонстрировали уникальные возможности использования в области фотовольтаики для создания солнечных элементов, в том числе на основе текстиля. Кроме этого, ННК могут найти применение в термоэлектрических и пьезоэлектрических устройствах, опять же для встраивания их в ткань. Было проведено большое количество работ, исследующих ННК в качестве активного элемента наносенсоров для экспресс-диагностики разных химических и биологических сред. Оптические свойства нанонитей могут быть использованы для светоизлучающих и детектирующих приложений. В связи с переходом электронных компонентов и схем с жестких подложек на более гибкие и растяжимые платформы, и поиском более устойчивых, биосовместимых и экономичных проводящих чернил для покрытия этих подложек, большой интерес вызвали составы с новыми наноматериалами, среди которых, особенно выделяют графен и MXenes, из-за их более простого и масштабируемого производства, высокой электропроводности и совместимости с существующими технологиями производства текстиля. Ожидается, что мировой рынок одежды с нанотехнологиями вырастет до 13,83 млрд долларов к 2026 году.
- Смарт-ткань, меняющая цвет. Ткани способные изменять цвет, активно воспринимают внешние раздражители и реагируют на них. Принцип изменения цвета в большинстве случаев основан на электронной плотности или молекулярной структуре материала, которая меняется из-за воздействия внешнего стимула, вызывая смену цветовой гаммы. Они возвращаются в исходное состояние, если стимул исчезает, потому что это более стабильное состояние. Изменение цвета может быть связано с явлениями и факторами, такими как: фотохромизм (воздействие света), термохромизм (тепловое воздействие), электрохромизм (электрическое воздействие), под действием азокрасителей (воздействующий раствор), трибохромизм (воздействие трением), а также механохромизм (реагирующие на давление). Считается, что использование этих меняющих цвет тканей в будущем получит более широкое распространение в военной области, в сфере безопасности, моды и декора (футболки, сумки и головные уборы), а механизмы изменения цвета будут зависеть от многих других эффектов.
- Терморегулирующие материалы - защищают от температурных перепадов и поддерживают комфортную температуру в заданном диапазоне. Сюда можно отнести некоторые функциональные ткани с такими качествами, как: охлаждение, обогрев, отводящие излишек тепла (эффект рассеивания), а также интеллектуальные текстильные системы находящиеся в разработке, способные работать для удовлетворения потребностей пользователей в терморегуляции. Материалы, которые имеют изменение фазы, возникающие в результате нагрева / охлаждения, начали развиваться в 1980-х годах в NASA, где были разработаны материалы с поглощением / высвобождением большого количества энергии, сопровождаемого изменением фазы от твердого вещества к жидкости. Некоторые технологии содержат поры, изменяющие размер, которые могут открываться или закрываться в зависимости от внешних условий (то есть, поры могут открываться, если тепло и сухо, и закрываться, когда холодно и влажно, увеличивая способность ткани быть воздухопроницаемой). Еще пример терморегулирующей материи продемонстрировали ученые из Мэрилендского университета, они изобрели «умный» материал, способный согревать человека, когда ему холодно, и охлаждать, когда ему жарко. Текстиль сделан из обычных полимерных волокон, покрытых углеродными нанотрубками, что делает их чувствительными к изменениям температуры тела. В теплых и влажных условиях, когда тело потеет в жаркий день, пряжа сжимается, пропуская больше инфракрасного излучения, исходящего от тела. Когда прохладно и сухо, пряжа расширяется, улавливая то самое тепло. Этот вид текстиля уже достаточно хорошо коммерциализован, в частности, в медицине он применяется в больничных кроватях, одеялах и подушках, также коммерчески успешный продукт - пластыри с терморегуляцией. Особой популярностью пользуется нижнее белье, обувь и спортивная одежда с функцией регулирования температуры.
- Водонепроницаемость и воздухопроницаемость текстиля. Сейчас, практически любой вид активности человека не обходится без одежды из «умной» ткани. Во время движения человеческое тело потеет и рассеивает тепло посредством тепловых волн и пота. Следовательно, помимо защиты от внешних факторов, таких как жара, ветер или вода, ткань должна сохранять тепло человеческого тела и обеспечивать эффективную передачу пота во внешнюю среду. Отсюда можно сделать вывод, что функциональный материал должен обладать двумя основными качествами: быть воздухопроницаемым, чтобы обеспечивать отвод пара (отображается этот показатель так: сколько граммов водяного пара сможет пройти сквозь квадратный метр ткани за сутки в виде двух чисел, например 10 000 мм/20 000 г.); и быть водонепроницаемым, чтобы предотвратить попадание воды из внешней среды на кожу (миллионы микроскопических пор в ткани сделаны так, что они в 20 тысяч раз меньше, чем капля воды, но в 700 раз больше, чем молекула воды). Еще одной важной характеристикой является скорость пропускания паров влаги. Если уровень потоотделения высокий, как например, при работе в литейном цехе или у спортсменов во время состязаний, то и ткань должна поддерживать оптимальную скорость пропускания паров влаги и защищать от внешнего тепла. Современному человека, конечно же знакома конструкция многих предметов одежды, где в качестве активных элементов выступают водонепроницаемые и воздухопроницаемые мембраны и другие высокотехнологичные материалы (Gore-Tex, Polartec Neoshell, Direct Venting, Dermizax NX, BASK, RedFox, MERCURYTEX и др.).
- Текстиль с фазовым переходом - соединение материи и материала с фазовым переходом, в котором под воздействием извне, изменяется какое-либо из условий равновесия в структуре материала (обратимое, как в случае с микрокапсулами и без видимой внешней трансформации), что проявляется в функциональных возможностях этого текстиля. На сегодня, наибольшее коммерческое распространение получил инкапсулированный волокнистый материал (где микрокапсулы могут быть включены в структуру ткани на уровне волокна, в момент прядения или нанесены на поверхность ткани), обладающий свойствами фазового перехода для терморегуляции, который поглощает, сохраняет или выделяет тепло. Надо отметить, что эту разработку, еще в 80-хгодах прошлого столетия, реализовало агенсто NASA для использования в скафандрах и перчатках для защиты астронавтов от более высоких температурных колебаний при выполнении внекорабельной деятельности в космосе. Но технологии не стоят на месте и сейчас уже во всю используются материалы, содержащие микропоры, изменяющие размер, которые могут открываться или закрываться в зависимости от внешних условий (то есть, поры могут открываться, если тепло и сухо, и закрываться, когда холодно и влажно, увеличивая способность ткани быть воздухопроницаемой и сохранять комфортную температуру). Обычно, когда внешний фактор, в частности температура достигает определенной точки, происходит фазовый переход, приводящий к функциональным различным изменениям (например, к поглощению/отводу тепла). Важным моментом является и тот факт, что температура «воздействия» должна оставаться постоянной в течение всего фазового перехода, будь то от нагрева к охлаждению или наоборот. Если два или более материала с фазовым переходом используются одновременно, диапазон температур для фазового перехода можно регулировать в конкретных случаях применения. Также, необходимым условием функции поддержания комфортной температуры, является то, что текстиль должен обладать терморегулирующим качеством и соответствующей теплоемкостью. Наконец, для повышения эффективности процесса, температура окружающей среды, при которой материал будет чаще всего использоваться, должна быть также температурой, при которой материал изменяет свою фазу. Надо отметить, чтобы фазовый переход не останавливался, требуется непрерывно отводить/подводить это тепло, либо компенсировать его совершая работу над системой. Считается, что химия этого явления в сочетании с текстилем имеет огромные возможности применения. Еще одно обстоятельство, на которое стоит обратить внимание при создании одежды с подогревом из материала с фазовым переходом: если вещи будут плохо сконструированы, это может привести к рассеиванию тепла в одежде вместо поддержания постоянной температуры (известно, что при перемещении из теплой в холодную среду, тепло может сохраняться в такой одежде в среднем 12–15 мин).
- Текстиль с памятью формы. Концепция ткани с памятью формы является относительно новой, в основе принципа лежит механизм, способный запоминать и восстанавливать «запрограммированную» деформацию. Здесь, как пример, хорошо напомнить историю появления на рынке шелковой нити с эффектом памяти. В конце прошлого века японские ученые обратили внимание, что пластичность и прочность паукообразных драглайнов (паук darwini создает семь различных видов шелка для использования в различных частях своей паутины и один из этих типов шелка, называемый драглайн, используется для создания, «поперечен» которые придают паутине прочность) превосходит по этим качествам лучшие синтетические волокна, и что в исследованиях мало информации о свойствах на кручение этой удивительной нити. Так, например, в отличие от «тарзанки» (качели на одной веревки, которые так и норовят закрутиться), шелковая нить, на которой качается паук, почти никогда не скручивается. Как показали дальнейшие наблюдения, драглайн-шелк обладает «памятью» формы на кручение, в том смысле, что он может обратимо и полностью восстановить свою первоначальную форму без какого-либо внешнего стимула.
Материалы с памятью формы — это одно из направлений очень многообещающих интеллектуальных материалов. В большинстве случаев, они включают в себя сплавы и полимеры с памятью формы. Эти материалы демонстрируют свойства, такие как чувствительность (тепловая, стрессовая, оптическая, химическая), сильное демпфирование, адаптивные реакции, способность к сверх эластичности и воздухопроницаемость. Однако, по мнению многих исследователей, на сегодняшний день сплавы среди всех материалов с памятью формы, имеют ограниченное развитие в текстиле (по причине все еще малой совместимости с одеждой для комфортного пользования). А вот полимеры с памятью формы, наоборот приобрели большее количество сторонников в вопросах их использования в текстильной индустрии и смежных областях. Поэтому в последние десятилетия наблюдается растущий интерес к исследованиям полимеров с характеристикой памяти формы применительно к текстилю, как самой органичной связке материалов в ближайшей перспективе.
Возможность запрограммировать синтетические материалы, чтобы они естественным образом демонстрировали поведенческие характеристики, может произвести революцию в материаловедении. Разрабатывая гибридные материалы с участием полимеров, способных реагировать на изменение среды или показывающих поведение на основе информации, закодированной в их структуре, мы можем создать функциональное физическое поведение, характерное - «умному» текстилю будущего.
Полимер с памятью формы (SMP) представляет собой тип материалов, реагирующих на стимулы, способных фиксировать «запрограммированную» форму и возвращаться из деформированного состояния в исходную конфигурацию при воздействии внешних раздражителей, таких как тепло, свет, влажность, и т. д. Многие исследователи начали работать над возможностью применения полимеров с памятью формы для «умного» текстиля и одежды. В течение последних лет были исследованы различные типы полимеров со свойством запоминания формы, как, например, полиуретан, polyNIPAM и полинорборнен, поликапролактон для выявления наиболее способных к синтезу с текстильными материалами.
В 2003 году в Гонконгском политехническом университете был создан Центр текстиля с памятью формы, который финансировался Фондом инноваций и технологий правительства Гонконга. В этом же году, проектной группой под руководством профессора Цзиньлянь Ху из Гонконгского политехнического университета были подготовлены первые образцы готовые к тестированию. Кроме того, в Гонконгском политехническом университете была создана лаборатория прядения волокон с памятью формы. Профессор Цзиньлянь Ху была удостоена серебряной награды 53-й Всемирной выставки инноваций, исследований и новых технологий в Брюсселе EurekaIn 2004 за ткани с эффектом памяти формы и методы их изготовления. В 2006 году она была удостоена премии Sang Ma Trust Fund Textile Science and Technology Award за разработку тканей/одежды с памятью формы.
Интеграция различных типов полимеров с памятью формы и текстиля проходит также с использованием разных методов. В частности для тканей/предметов одежды будут использоваться различные методы отделки, для волокнистой промышленности будут использованы технологии внедрения SMP непосредственно в волокна, а для прядильного производства будут использованы свои методы включения в ткань полимеров с памятью формы. Так, например, чтобы придать тканям свойство «памяти», в отделке материи может использоваться чувствительный к температуре полимер с памятью формы, а в некоторых случаях и комбинация двух или более SMP с изменяемыми свойствами. Уже научились получать три эффекта памяти формы термочувствительной хлопчатобумажной ткани, такие как плоский внешний вид, сохранение складок и восстановление эффекта «мешковины». А компания из Нидерландов Labfresh разработала инновационную мужскую одежду по технологии FreshCore™, которая не только не мнется, но и отталкивает, грязь и запахи. Также, SMP может быть включен между двумя слоями ткани в одежде, чтобы за счет тепла передаваемого от тела достигнуть молекулярного движения и смены конформационного состояния, позволяя возникшей пористой структуре полимера отводить излишек тепла от организма. Ниже определенной температуры, наоборот, у полимера образуется плотная структура, препятствующая прохождению различных элементов явлений погоды. Этот SMP представляет собой эластичный барьер, саморегулирующийся к изменению температуры, обеспечивающий оптимальный комфорт для пользователя.
В целом интеграция SMP в текстиль обеспечивает возможность получения множества интересных и улучшенных свойств ткани/одежды, таких как хорошая эстетическая привлекательность, уникальный дизайн, комфорт при ношении и легкий уход, сохранение формы, стабильность размеров, хорошая износостойкость, интеллектуальное контролируемое высвобождение лекарств, мониторинг ран, умные смачивающие свойства, защита от экстремальных изменений условий окружающей среды.
Не забывайте, обращайтесь к тексту, скоро будет дополнение