Les ingénieurs tissent un tissu de pointe qui peut rafraîchir et réchauffer l'utilisateur

11 octobre 2022

par l'Université de Shinshu

Les ingénieurs textiles ont développé un tissu tissé à partir de nano-fils ultra-fins composés en partie de matériaux à changement de phase et d'autres substances avancées qui se combinent pour produire un tissu qui peut répondre aux changements de température pour chauffer et refroidir son porteur en fonction des besoins. .

Les scientifiques des matériaux ont conçu un textile avancé avec des fils à l'échelle nanométrique contenant dans leur noyau un matériau à changement de phase qui peut stocker et libérer de grandes quantités de chaleur lorsque le matériau change de phase de liquide à solide. En combinant les fils avec des revêtements électrothermiques et photothermiques qui améliorent l'effet, ils ont essentiellement développé un tissu qui peut à la fois refroidir rapidement le porteur et le réchauffer lorsque les conditions changent.

Un article décrivant la technique de fabrication est paru dans ACS Nano le 10 août.

De nombreuses professions, des pompiers aux ouvriers agricoles, impliquent des environnements chauds ou froids difficiles. Les entrepôts frigorifiques, les patinoires, les forges d'acier, les boulangeries et de nombreux autres chantiers obligent les travailleurs à effectuer des transitions fréquentes entre des températures différentes et parfois extrêmes. De tels changements de température réguliers sont non seulement inconfortables, mais peuvent également provoquer des maladies ou même des blessures, et nécessitent un changement constant de vêtements encombrants. Un chandail gardera un travailleur au chaud dans un casier à viande froide, mais pourrait surchauffer le même travailleur lorsqu'il quittera cet espace.

Une option pour soulager le stress dû à la chaleur ou au froid de ces travailleurs, ou de toute autre personne, des athlètes aux voyageurs, qui ressentent un tel inconfort, est la technologie émergente des textiles de gestion thermique personnels. Ces tissus peuvent gérer directement la température de zones localisées autour du corps.

Ces tissus utilisent souvent des matériaux à changement de phase (PCM) qui peuvent stocker puis libérer de grandes quantités de chaleur lorsque le matériau change de phase (ou d'état de la matière, par exemple, de solide à liquide).

L'un de ces matériaux est la paraffine, qui peut en principe être incorporée dans un matériau textile de différentes manières. Lorsque la température de l'environnement autour de la paraffine atteint son point de fusion, son état physique passe de solide à liquide, ce qui implique une absorption de chaleur. Ensuite, la chaleur est libérée lorsque la température atteint le point de congélation de la paraffine.

Malheureusement, la rigidité intrinsèquement solide des PCM sous leur forme solide et les fuites lorsqu'ils sont liquides ont jusqu'à présent entravé leur application dans le domaine de la régulation thermique portable. Un certain nombre de stratégies différentes, y compris la microencapsulation (dans laquelle le PCM tel que la paraffine est enrobé dans des capsules extrêmement petites), ont été tentées pour améliorer «l'efficacité de l'emballage» afin de surmonter les problèmes de rigidité et de fuite.

"Le problème ici est que les méthodes de fabrication des microcapsules à changement de phase sont complexes et très coûteuses", a déclaré Hideaki Morikawa, auteur correspondant de l'article et ingénieur textile avancé à l'Institut d'ingénierie des fibres de l'Université de Shinshu. "Pire encore, cette option offre une flexibilité insuffisante pour toute application portable réaliste."

Les chercheurs se sont donc tournés vers une option appelée électrofilage coaxial. L'électrofilage est une méthode de fabrication de fibres extrêmement fines avec des diamètres de l'ordre du nanomètre. Lorsqu'une solution de polymère contenue dans un réservoir en vrac, typiquement une seringue munie d'une pointe d'aiguille, est connectée à une source d'alimentation haute tension, une charge électrique s'accumule à la surface du liquide.

Bientôt, un point est atteint où la répulsion électrostatique de la charge accumulée est supérieure à la tension superficielle et cela se traduit par un jet extrêmement fin du liquide. Au fur et à mesure que le jet de liquide sèche en vol, il est encore allongé par cette même répulsion électrostatique qui a donné naissance au jet, et la fibre ultrafine résultante est ensuite collectée sur un tambour.

L'électrofilage coaxial est sensiblement le même, mais implique deux ou plusieurs solutions de polymère alimentées par des filières voisines, permettant la production de nanofibres enduites ou creuses. Ces fibres à noyau et gaine ont une structure similaire à celle du câble coaxial que l'on pourrait utiliser sur sa chaîne stéréo, mais sont beaucoup, beaucoup plus petites.

Dans ce cas, les chercheurs ont encapsulé le PCM au centre de la nanofibre électrofilée pour résoudre le problème de fuite de PCM. De plus, les fibres ultra-fines permettent une souplesse extrêmement favorable adaptée aux vêtements humains.

Pour étendre encore la gamme d'environnements de travail où le textile fonctionnerait, et la précision de la régulation thermique, les chercheurs ont couplé le matériau PCM avec deux autres technologies de régulation thermique personnelle.

La combinaison de matériaux photosensibles - ceux qui réagissent à la présence de l'énergie solaire - avec des PCM offre potentiellement la possibilité d'augmenter encore la capacité de stockage d'énergie du textile. De plus, le revêtement du matériau composite avec des polymères qui convertissent l'électricité en chaleur (un revêtement conducteur électrothermique) peut compenser une expansion similaire du stockage d'énergie si le travailleur se trouve dans des conditions nuageuses, pluvieuses ou à l'intérieur.

Les chercheurs ont combiné les trois options - PCM, nanotubes de carbone et absorbeurs solaires en polydopamine et polymères électroconducteurs en poly (3,4-éthylènedioxythiophène): polystyrènesulfonate (connu sous le nom de "PEDOT: PSS") - en un seul thermorégulateur "trimode". et textile portable.

Cette structure multicœur et coque permet une coopération synergique entre ses différents composants et fournit une régulation thermique à la demande qui peut s'adapter à une large gamme de changements de température environnementale.

Les chercheurs visent maintenant à améliorer encore les propriétés de transition de phase du tissu et à développer des applications pratiques et portables pour leur matériau.

Plus d'information: Jiajia Wu et al, Une membrane fibreuse flexible thermorégulatrice trimode conçue avec une structure de fibre noyau-gaine hiérarchique pour la gestion thermique personnelle portable, ACS Nano (2022). DOI : 10.1021/acsnano.2c04971

Informations sur la revue :ACS Nano

Fourni par l'Université de Shinshu