05. smart textilie

Technologie přípravy smart textilií
Jana Drašarová
Cesty ke SMART textiliím I
1) Inovativní materiály a struktury na atomární
a molekulární úrovni se smart funkcí
(aktivace textilních povrchů)
nové objevy
(mikro a nano- materiály, mikrokapsule, vlákna,
filmy, pěny)
a) Nové materiály
Vodivé materiály - vlákna
Chameleonní (chromismus = změna barvy)
SSM Stimuli sensitive materials (magnetické, electrické
pole, chemické, teplotní mechanické, UL světlo, tlakové podněty,…)
PCM Phase change materials
SMM Shape memory materials
AUXETICké materiály
modifikace vlákenných polymerů
modifikace povrchů
Vodivé materiály - vlákna
pasivní ST
senzory, indikátory
optická vlákna
- přenos světelného signálu + citlivost na deformace, chemikálie, tlak,
tah, el. mg. pole,…
 vodivá vlákna PANI = konvenční (elastomer Lycra, bavlna) pokrytá
polyanilinem, polypyrolinem
= piezoresistivita + termoresistiva
(deformace  el- termo- odpor) (snímání motorických funkcí a teploty – sport,
medicína,…)
Vodivé materiály - vlákna
 tenké kovové drátky
tažení (za tepla, studena)
Taylorův proces (pokrytí kovu
sklem, 10 µm)
pasivní ST
odpor
 vodivé polymery
technologie Soft switch
=
elastomerní
materiály
obsahující nano-částice kovů
= deformace – kontakt – vodivost
síla
(wearable computers)
Chameleonní (chromismus = změna barvy)
mění svou barvu působením vnějších podmínek
aktivní ST
UV záření, teplo, tlak,
elektrický proud,
kapaliny
Chameleonní textilie dělíme podle podnětů, které
vyvolávají změnu barvy:
Termochromní – reagují na změnu teploty
Fotochromní - reagují na světlo
Elektrochromní - reagují na změny elektrického proudu
Piezochromní - reagují na změny tlaku
Solvatochromní - reagují na změny kapalin
TECHNOLOGIE CHAMELEONNÍ TEXTILIE
Aktivace textilních povrchů pomocí tisku, laminace,
impregnace funkčních prvků ve formě nanovrstev
Tisk – uskutečňuje se na běžných tiskařských
strojích
Barviva – termochromní (spirolactony), fotochromní
PIGMENTY MĚNÍCÍ ODSTÍN PŘI SLUNEČNÍM SVITU
PIGMENTY MĚNÍCÍ ODSTÍN V ZÁVISLOSTI NA TEPLOTĚ
VYUŽITÍ CHAMELEONNÍCH TEXTILIÍ V PRAXI
Medicína – obvazy, teploměry
Sport – ALPINE PRO
móda
Móda - VERONIKA BENEŠOVÁ
STONE ISLAND
DEŠTNÍK MĚNÍCI BARVU NA DĚŠTI
Stimuli Sensitive Materials/Polymers (SSMs/SSPs) =
= Materiály/Polymery citlivé na podněty
polymerní materiály - gely
= 3D zesítìné polymerní řetězce / schopnost
botnat v rozpouštědle / nerozpouští se
odpověď“chemomechanická” – dramatické
botnání nebo kolaps
důvody
světlo, teplo, pH, koncentrace solí, elektřina
přenos hydrogenových iontů, redukční reakce,…
chitosan
N-vinyl pyrolidon – bobtnání ve vodě
Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAAm)
Výroba nánosování, roubování, UV,…
Použití
kontrolované uvolňování funkční
substance
(robotické svaly, senzory, kontrola
kvality)
regulace teploty a vlhkosti
kontrola porozity
pH citlivé materiály
Polyelectrolytické gely
SSMs
kyselost/ zásaditost
PNIPAAm = Poly(N-isopropylacrylamid)
SSMs
kritická teplota roztoku (CST) = hydratace-dehydratace
pod CST - řetězce hydratují – rozbalují
nad CST - srážení, aglomerace
vratné tvoření a štěpení vodíkových můstků mezi NH nebo C=O skupinami a molekulami vody z
okolí při měnící se teplotě
Př: Poly N-izopropylakrylamid je pod 32oC hydrofilní nad 32oC hydrofobní
Phase Change Material PCM
= Materiály měnící fázi
Aktivní
teplota  pevná l. – tekutina, teplo absorbuje
akumulace
teplota  tekutina– pevná l., teplo uvolňuje
intenzita 6-1000 °C
čas 6-10 min
uvolnění
absorbce tepla z lidského těla
nebo okolí

Změny tepoty a tepla během fázových změn
kapalina
pevná
látka
„nastavení“ přechodové zóny
v teple akumulace – v chladu uvolnění

Materiály - organické a neorganické
hydratované soli, parafinové vosky, mastné kyseliny, směsi
transition temperatures 0°C to 50 ° C
parafinové vosky–
lineární řetězce – směs přímých
řetězců n-alkaů, CH3-(CH2) n-CH3
netoxické, nekorodují, chem.
inertní
- teplota tání a teplo tavení  s 
délkou řetězců
Organické PCM
Compound
Melting temperature
(oC)
n-Heneicosane (21)
40.5
n-Eicosane (20)
36.8
n-Octadecan (18)
28.2
n-Heptadecane (17)
21.7
Vinyl stearate
27-29
Capric acid
32
Methyl-1,2-hydroxystearate
Lauric acid
42-43
42-44
Shape Memory
= tvarová paměť
Materiály
Použití
Slitiny (SMA)
nitinol = nikl + titan+…
měď-zinek-hliník,
měď -hliník-nikl
Ag-Cd 44/49 at.% Cd
Cu-Al-Ni 14/14.5 wt.% Al and 3/4.5 wt.% Ni
Cu-Sn approx. 15 at.% Sn
Cu-Zn 38.5/41.5 wt.% Zn
In-Ti 18/23 at.% Ti
Ni-Al 36/38 at.% Al
Fe-Pt approx. 25 at.% Pt
Mn-Cu 5/35 at.% Cu
Fe-Mn-Si , …..
Keramiky
Polymery (SMP)
(blokové a segmentové kopolymery)
foto sensitivní / UV
termo sensitivní
biodegradabilní
organické materiály
medicína
rovnátka, dentální aparáty,
chirurgické nástroje, katetry, kostní
protézy, šrouby
samo-roztažné: expandují v 37 °C
SMA
Slitiny (SMA)
Nitinol 1960s
Nickl (Ni), Titan (Ti) a Naval Ordnance Laboratory (NOL)
unikátní chování
tvarová paměť
superelasticita
biokompatibilita
nekoroduje
Fázová změna z pevné na pevnou fázi (změna v krystalických oblastech)
Austenit
Martensit
vysokoteplotní
nízkoteplotní
krystal
symetrický centrovaný tetragonální
„zkroucená“ krychle
tvrdost
měkkost, deformabilita
Fázová změna z pevné na pevnou fázi - vratná
Ms_= teplota, kdy začíná
transformace z A na M
(ochlazení)
Af _= teplota, kdy končí
transformace z M na A
(ohřev)
nitinol je za
pokojové
teploty v M fázi
M
A
-150, 200°C /2 to 20°C
Mf_= teplota, kdy končí
transformace z A na M
(ochlazení)
As_= teplota, kdy začíná
transformace z M na A
(ohřev)
Co to je efekt tvarové paměti?
1) nastavení
= materiál v požadovaném tvaru tepelně zpracován
540 °C; 2 - 5 min.) = fixace tvaru v austenitické struktuře
2) deformace
= používání v martensitické (měkké) str. (pokojová teplota)
3) zotavení
= původní tvar navrácen opětovným zahřátím nad teplotu
transformace
Kolik cyklů?
FlexinolTM drátěný akční člen - cca 1,000,000 bez poškození
Co to je superelasticita?
vysoká deformabilita
1) deformace
= používání v austenitické (tvrdé) struktuře (pokoj.tep.
nad teplotou Af), deformací změna na martensit
2) zotavení
= transformace z martensitu na austenit po uvolnění
zatížení
10% obnovitelnost elasicity, hystereze
nejsou nutné tepelné změny
 change = constant
metal
SMA
0.7%
10%
Co to je pseudoplasticita?
vysoká deformabilita
1) deformace
= martensitická (měkká) struktura se mění do vhodnější
martensitické (T<Ms)
2) zotavení
= transformace z martensitu II do martensitu I po uvolnění
zatížení
5% obnovitelnost elasicity, hystereze
nejsou nutné tepelné změny
Martensitický
krystal se
deformuje bez
dislokací
tvarová paměť X superelasticita X pseudoplasticita
SMA
superelasticita
-150, 200°C /2 to 20°C
pseudoplasticita
SMP
Polymery
fázová změna z pevné do pevné fáze
Sklovitý stav
Kaučukový stav
nízkoteplotní
vysokoteplotní
Změna při teplotě zeskelnění Tg
aktivační bod –30 °C,70 °C
tvrdost
měkkost
plastický
fáze
viskózní tekutina
kaučukový
viskoelastický
sklovitý
teplota
krystalickýamorfní
Co to je tvarová paměť?
Teplota pod aktivačním bodem
SKLOVITÝ STAV
pevná struktura
propustnost je nízká
Teplota nad aktivačním bodem
KAUČUKOVÝ STAV
Micro-Brownův pohyb
= mezimolekulární průduchy
= roste propustnost pro vlhko i teplo
.
Propustnost se mění v závislosti na teplotě = aktivní reakce
Co to je superelasticita?
Tvar je nastaven v sklovitém stavu (nízká teplota), v kaučukovitém stavu elasticita roste
Výroba
Bloková kopolymer s tvrdými a měkkými segmenty
Tvrdé segmenty = krystalická fáze = polyuretan
Měkké segmenty = polyeter nebo polyester diol
DIAPLEX, c_change™
waterproof (20 000 - 40 000 mm),
breathability (6 000 až 12 000 g/m2
za 24 hod)
nekondenzuje
elasticita a měkký omak
lamináty
Barriérový Mechanismus
(aktivační bod na 0 c)
o
Gore-Tex / mikro-póry /
Sympatex / žádné póry /
chemické skupiny
(adsorpce, difuze, desorpce
molekul vodní páry)
shape memory
polyuretany (SMPUs)
Př: „Oricalco" košile s tkaninou z NITINOLu
Nitinol - cca 50% Ti, lehká slitina
„naprogramované“ vyhrnování rukávů
Př: Adaptivní tepelný komfort SMP
Tepelná izolace
teplota vzroste nad aktivační bod
Izolace 
teplota klesne pod aktivační bod
Izolace 
Aerogely
“pevný kouř” - 96% porozita
matrice křemíku (SIO2),
nejlehčí pevná látka
Výroba
-vypeřování tekutiny z gelu
při superkritické teplotě a tlaku
komplikované, drahé
(3x okenní sklo)
NASA, sol-gel chemie, 1931
v přírodě neexistuje
vesmírný výzkum, …
izolace
aktivní, pasivní části senzorů
2004 Guinness World Records Book
Aerogely - vlastnosti
hustota 1,63 mg/cm3
96% porozita (obsahuje více než 96%
vzduchu, váží 526* méně než voda)
částice 2  5 nm měrný povrch 900 m2/g
unese 2000× než váží
tepelná izolace –300 1000°C
 vodivost (40× skleněná vlákna)
průhledný, průsvitný,
fotoluminiscentní
Auxetické struktury
r. 1991
Poissonovo číslo
při působení síly ve směru osy y
auxetické
negativní Poiss. číslo
konvenční 0,2-0,4
pozitivní Poiss. číslo
protažení ve směru
sražení ve směru x (-)
x
 yx  
y
y (+)
protažení ve směru y (+)
protažení ve směru x (+)
Vlastnosti
pod tlakem: zeslabení
konvenční – protržení
auxetické
– změna porozity =
kondenzace,
odpor
proti
deformaci
vysoká absorpční schopnost energie,
zvuku
vysoká zpracovatelnost
Použití
Auxetické materiály
molekulární
úroveň–
keramické
materiály a polymery
Auxetické struktury
mikroskopická úroveň
– molekulární
síta a filtry
makroskopická úroveň
– 2D monofil,
multifil, tkaniny, pleteniny, 3D konstrukce
…
Molekulární úroveň
Použití
design auxetických materiálů, polymerů
Včlenění molekulárních elementů (pevných tyčinek) do hlavního řetězce
Rotace tyčinek = auxetické chování
Př: PTFE - Goretex (patent Toyota, Yamaha, Mitsubishi, AlliedSignal Inc, BNFL and US
office of marine research)
Mikroskopická úroveň
Auxetická vlákna
polymery (PES, POP, PUR)
+ auxetické tyčinky
Auxetické pěny, síta, filtry
konvenční - auxetická buňka pěny
Makroskopická úroveň
2D textilie, 3D textilie, kompozity
2D textile
auxetická vlákna ovinutá vodivými nebo
barevnými nitěmi
auxetická vlákna – zesílení, absorpce,…
horolezecká lana (sevření ve skobě)
Použití
Makroskopická úroveň
3D textilie
lehkost, pevnost, odolnost, zpracovatelnost,
tvarovatelnost, absorpce energie
= helmy, pancéřované obleky
Použití
Makroskopická úroveň - Filtry
ne-auxetický filtr
struktura „medová plástev“
otevírání póru ve směru dilatace,
uzavírání v opačném směru
 filtrace
pores of auxetic filter
otevírání póru v obou směrech
čištění zaplněného filtru
nastavení efektivní velikosti pórů
Makroskopická úroveň – kompozity vyztužené auxet. vlákny
Použití
ukázky
Použití
Auxetické struktury v medicíně
Chirurgické implantáty (šití, šlachy, dilatátor cév – angioplastika PTFE)
Kontrolované uvolňování léků
Rozvětvené makromolekuly - dendrimery
jednoduchý řetězec
dendrimer
polymerní krystal
Ochranné materiály
ochrana proti biol. a mikrob. látkám
(nanočástice stříbra)
léčba zranění
biomolecula, nanočástice,…
b) Aktivace textilních povrchů
???? JAK aktivovat (vyrobit) ????? multifunkcionalita
tisk
laminace
impregnace
nano-povrchy (sol-gel)
micro- nano- kapsule
nano-vlákna
samočistící
povrchy
Nanopovrchy
nanometr – 10-9 m = 0,000 000 001 m
380-780 nm λ viditelného světla
molekulární, atomová uroveň
4 3
objem  r
3
nano částice = měrný povrch m2/kg
Volume [mm3]
Surface Area [mm2]
Area/Capacity
d =1 [mm]
0,52
3,14
6
plocha  4r 2
d =1 [um]
0,0000000005
0,0000031400
6000
Nanotechnologie ve finálních úpravách textilií
Přidání fce
Nanoskelety na/do struktur vlákenného polymeru / nanopovrchy
Micro,- nano,- částice as prostředek nebo emitory aktivních komponents
Nano-vlákenné struktury
Výroba
impregnace, vrsvení, laminace, sol-gel
SOL-GEL
Formování amorfního materiálu z koloidní suspenze (roztoku), následné zesítění a
vznik kontinuální fáze (gelu)
Gel
koloidní systém ve kterém porézní síť vzájemně spojených nanočástic zachytí
určitý objem tekutiny
Koloidní suspenze
disperzní soustava obsahující částice, které svou velikostí spadají do rozmezí 1 nm
až 1000 nm
Property
function
Chemical composition
Optical
Absorption
Reflection
Antireflection
Photoconductiv
TiO2-SiO2, SiO2-RmOa : R=metal
TiO2, PbO-TiO2, In2O3-SnO2
ZrO2, SiO2, Na2O-B2O3-SiO2
PbO-TiO2, SiO2-TiO2
Electrical
Conductive
semiconductor
Feroelectrical
Elektrochromic
Oxiddy In, Sn, V, Sn/Sb, TiOxNy
SiO2, Cd2SnO4
Titans Ba, Pb
Oxidy W
Oxidy Ti
Protective
corrosion
resistance
Alkali res.
Anti oxidation
Mechanical
SiO2, TiO2, ZrO2
AlPO4, MgO-Al2O3-SiO2-P2O5
SiO2, SiO2-GeO2, Al2O3
SiO2, Al2O3, ORMOSILy (organical modificated
silicals)
Catalytical
SiO2, SiO2/zeolit, TiO2, Ag-(Al2O3)-SiO2
Pd-SiO2, layers and dry gels (xerogels)
Photo-catalytical
TiO2 (modification anatas), TiO2-SiO2-PDMS
TiO2-V2O5, TiO2-MnO, Ag - TiO2
Anti-bacterial
Ag-SiO2, Ag-Al2O3-SiO2
Metallizace „Mtex“
Nano-stříbro
„zdravé“ oděvy, nanometr silná vrstva stříbrných iontů, antiseptické,
deodorační účinky, antibakteriální (99.99% po 50 praní)
bavlna
1000nm Ag vrstva
PET
1800nm vrstva - odlup
Mikro,- nano,- částice
supramolekulární cyklické structury
enkapsulace
supramolekulární cyklické structury
Cyclodextriny: cyklické produkty štěpení škrobu- uzavření kruhu 6 -8 jednotek
glukózy
Hydrofilní (vnitřní) – fydrofobní (vnější) část molekuly
absorbuje (pot, kouř) – vypratelné
emituje (microbiální l., vůně, insekticidy)
aktivace – vlhko (uvolnění)
PES
celuloza
vlna
Enkapsulace
Mikro – balení, koule, krystaly
aktivní materiály uzavřené v tenkém polymerním obalu
1-1000m
neporézní
teplo- PCM, barva- tropic = chromism
porézní
postupné uvolnění
Mikroenkapsulace/ NEporézní/termotropní
PCM
Modifikace vláken – zvlákňování
OUTLAST (fy Dupont)
PAN vlákna + PCMkuličky
další aplikace – zátěry, pěny
Mikroenkapsulace/ porézní
Postupné uvolnění
Vůně a esence
Pesticidy and herbicidy
Farmaka
Vitamíny
Antimicrobiální látky
Kosmetické přípravky
Vizuální indikátory
Thermochromní barviva
Mikroenkapsulace/ bifunkční
porézní obal
Náplň – pomalé uvolňování
obal nano-stříbro / antimicrobialní efekt
Aplikace na textilie
plněné vlákno- dutý POP
zvlákňování Outlast
impregnace vláken – pěna nebo zesíťujícím prostředkem
povrchy - postřik, nános, tisk, impregnace… + termofixace
membrány - laminování
Samočistící povrchy
povrch:
Princip
1. Mikroskopicky velmi hladký
2. Mikroskopicky velmi drsný, super-hydrofibní
3. Hydrofilní – foto-katalyticky aktivovaný
1) Mikroskopicky velmi
hladký povrch
částice špíny nemonou přilnout * reálný povrch
výhody textilií – omak, drsnost, porozita (dýchání,
izolace…)
drsný povrch – lépe smáčen než hladký
Cesty ke SMART textiliím II
2) Nové materiály a struktury vložením
známých prvků
aktivní (parazitické) elementy připojené do struktury
aktivní elementy vložené do struktury
integrace mikroelektroniky do textilií