«Умный», «интеллектуальный» текстиль и одежда. Учимся у природы!

Опубликовано 12.07.2012
Герман Кричевский   |   просмотров - 7324,   комментариев - 0
«Умный», «интеллектуальный» текстиль и одежда. Учимся у природы!

Герман Евсеевич Кричевский,
профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, член ЦП НОР

«Умный» текстиль в настоящее время находит достаточно широкое практическое использование в индустрии моды, в качестве домашнего, спортивного, медицинского, защитного (в широком смысле) текстиля во многих областях техники и науки.

В 2012 году прогнозируется мировое производство «умного» текстиля в ценовом выражении 1,8 млрд. долларов США.

Появление понятий и терминов «умный», «интеллектуальный», «интерактивный», «многофункциональный» по отношению ко многим видам материалов (полимеры, сплавы, металлы), техническим устройствам и продукции (транспорт различных видов, вплоть до самолетов-беспилотников), роботов, выполняющих определенные человеческие функции, сложные системы («умный» дом), стали широко использовать по отношению к текстилю и одежде.

В связи с этим необходимо дать определения этих понятий и терминов, тем более, что они часто вызывают в чем-то справедливый скепсис и иронию. Последнее связано с тем, что в целях рекламы эти термины используются не по назначению и безответственно.

Понятие «умные материалы» появилось во второй половине 20-ого века и связано со значительными успехами в области физики и химии, материаловедении, биохимии, биофизики, физической химии и химической физики полимеров, физики и химии металлов, бионики, нано-, био- и когнитивных технологий. С помощью достижений всех этих наук и практик ученые, технологи и инженеры начали с большим или меньшим успехом подражать, копировать и развивать в технике различные полезные свойства живой материи, которая всегда «умна», реактивна, адаптивна к многочисленным изменяющимся условиям внешней среды и изменениям самих живых организмов.

За это время (~ 50 лет) в области «умного» текстиля можно отметить три фазы развития по времени и по уровню интеллекта, что отражается в определениях и терминах:

- пассивный «умный» текстиль, способный только чувствовать изменения во внешнем окружении, т.е. играть роль пассивного сенсора;

- активный «умный» текстиль способен не только чувствовать внешние и внутренние стимулы, но и реагировать на них, т. е. выполнять роль не только сенсора (датчика), но и осуществлять сбор, хранение и анализ информации и передавать ее во внешнюю среду и самому пользователю;

- очень «умный» текстиль, способный не только чувствовать, реагировать, но и адаптироваться к изменениям в окружающей среде и в самом текстиле, т. е. с помощью актуаторов (исполнительных механизмов) выполнять определенные приказы (рекомендации).

В зависимости от внешнего и внутреннего «стимула» изменения в текстиле могут быть визуально наблюдаемы, а иногда происходят только на молекулярном уровне и не обнаруживаются зрительно.

Сущностно, появление понятия, но еще не термина «умные» материалы, можно связать с разработкой в 1960 г. материалов (сплавы, полимеры) с «памятью формы», изучением механизма поведения гелей на основе природных и синтетических полимеров. Гидрогели – полимерные материалы, способные реагировать на изменения рН среды, температуру, давление и другие факторы изменением своей структуры и свойств.

Впервые термин «умные» был использован и введен в научный и технический лексикон в конце 80-х годов прошлого века в Японии. В текстильный мир этот термин в большей степени, чем понятие, пришел в 90-ые годы, и первым видом материала с таким лейблом были «умные» шелковые нити, обладающие памятью формы, как и сплавы с «памятью формы», которые появились раньше.

Интеллектуальный «умный» материал (текстиль) способен отвечать или активизировать проявление функций по заранее созданной программе и его часто называют Е-текстилем (электронный).

Считается, что первые успехи в разработке и производстве умного текстиля связаны с линейкой ICD-одежды (1990 г.), как результат кооперации компаний Levi Strauss и Philips Electronics. Вся электроника (mp3-плеер и т. д.) была съемная, механически соединенная с одеждой и перед стиркой или химчисткой откреплялась. Одним из первых видов умного медтекстиля была диагностическая майка, в которую были инкорпорированы оптические волокна и микросенсоры для измерения параметров организма. Эта «умная» майка использовалась персоналом рискованных профессий и для хронических больных (комфорт, безопасность), в спорте, отдыхе. «Умный» текстиль пришел также в новые поколения раневых покрытий, косметику (уход за кожей), гигиенический текстиль. Важная проблема при создании «умного» медтекстиля (и не только) – нахождение понимания между текстильщиками, инженерами, электронщиками и медиками (или другими специалистами–потребителями). Это системная проблема, у нас она решается тяжело, точнее сказать - практически не решается.

Почему именно в текстиль пришли «умные» технологии и материалы?

Гимн текстилю!

Текстиль (в широком смысле) является уникальным по своим свойствам и возможностям использования в различных областях материалом, которому нет равных. Текстиль – это результат многотысячелетнего творчества человека, забравшего все лучшее от природы (волокна, красители), изобретавшего и совершенствовавшего технологии (прядение, ткачество, плетение, вязание, производство нетканых материалов, колорирование, придание широкого спектра потребительских свойств с помощью химических технологий). На протяжении тысячелетий производства текстиля оно быстрее многих других практик аккумулировало все достижения науки и техники. А в последнее время производство нового поколения текстиля стало объектом продвижения самых передовых NBIC-технологий (нано-, био-, инфо-, когнито-) и, прежде всего, для производства «умного» текстиля технического, защитного и медицинского назначения.

Что делает текстиль удобным объектом для многих областей техники:

- Широчайший выбор природных и химических волокон различного химического строения и физической структуры, наличие разнообразных механических технологий формирования из этих волокон различного вида текстиля (ткани, трикотаж, нетканка) с разным переплетением, плотностью из волокон различной тонины и пряжи с разной плотностью и круткой, широчайший круг химических технологий (тысячи оригинальных марок красителей и пигментов, сотни текстильно-вспомогательных веществ). Все это позволяет производить бесчисленное количество видов текстиля для практически любой области повседневной жизни, для науки и техники.

- Гибкость, эластичность, высокая прочность к механическим нагрузкам делает текстиль очень удобным, технологичным не только для использования в традиционных областях (одежда, интерьер), но и в технике, медицине («дружественен» к организму).

Основная трудность в создании «умного» текстиля с использованием электронной техники – это миниатюризация электроники, возможность ее органической интеграции с текстилем (с волокнами, нитями, пряжей, тканью, трикотажем, нетканкой), устойчивость микро-, наноэлектроники к стиркам и химчисткам.

Другой очень важный элемент «умного» текстиля – «умные» полимеры – тоже должны быть интегрированы в текстиль и прочно с ним связаны. Но эта проблема хорошо знакома химикам текстильщикам и решается успешно за счет различных химических технологий фиксации полимеров на поверхности волокон и нитей.

Использование «умного» текстиля для защитных целей

«Умный» текстиль может проявлять защитные свойства следующим образом:

- детектировать опасные изменения в окружающей среде, в себе самом и организме человека;

- передавать сигнал бедствия (опасности) внешним приемным устройствам;

- в случае возникновения серьезных опасностей реагировать на них.

В число опасных внешних изменений входят перегрев, переохлаждение, химические атаки, газы, радиация, а также состояние здоровья человека (сердечный приступ, инсульт), излишний алкоголь или наркотики в организме. Сенсоры в одежде могут передавать сигнал на компьютер автомобиля, и он не заведется. Реакция одежды на опасности может реализоваться в определенной окраске текстиля (как лакмусовая, индикаторная бумага) и сам пользователь одежды и окружающие увидят это (полицейский, жена и т.д.). Окружающие по цвету одежды увидят, что с человеком плохо (опьянение, сердце, давление и т.д.).

Защитная одежда пожарников должна умно поддерживать комфортный климат внутри одежды при высокой температуре окружающей среды.

Необходимо сочетать необходимый баланс между защитным эффектом и комфортностью. Это весьма непростая задача, поскольку эти две функции обычно направлены друг против друга.

Для комфортных условий работы защитной одежде необходимо обеспечить следующие требования:

- климат (температура, влажность, вентиляция) в пододежном пространстве;

- освещение;

- запах (отсутствие);

- шум (отсутствие);

Защитная одежда должна выполнять следующие функции:

- сенсорные;

- запись и хранение информации;

- выполнение своих непосредственных функций;

- коммуникативность.

К этому следует добавить удобство, устойчивость функций во времени в условиях эксплуатации (стирка, химчистка).

«Умная», Е-одежда и ее основа – «умный» текстиль – должны включать в себя следующие элементы: сенсоры (датчики), внутреннюю связь, память, анализатор, передатчик, антенну, автономный источник питания.

Функции сенсоров

Текстиль, одежда контактирует с большей частью нашего тела, его кожей. Это позволяет размещать сенсоры в различных очень важных точках поверхности тела и мониторить параметры организма. Кроме того одежда (текстиль) может замерять параметры внешней среды.

Основные параметры, которые могут детектировать датчики одежды:

- температура;

- электромагнитные сигналы (биопотенциал, кардиограмма, электростатическое поле и др.);

- акустические и ультразвуки;

- движение человека;

- химикаты (жидкость, газы);

- электрические свойства кожи;

- механические свойства кожи (давление, напряжение, натяжение);

- радиация (УФ, ИК, видимая, радиоактивность и др.);

- запах.

При использовании сенсоров вообще и текстильных сенсоров в частности сталкиваются со следующими проблемами:

- гибкость и устойчивость сенсоров к деформации;

- сигнал имеет относительно низкую амплитуду;

- устойчивость к длительному нагреванию (отделочное и швейное производство, стирка, химчистка).

Первоначально для «умной» одежды использовали обычные сенсоры, но постепенно перешли к специальным сенсорам для текстиля, органически встроенным в структуру текстиля.

Основной упор был сделан на слежение за параметрами организма (кардиограмма, скорость дыхания, движение, температура, давление крови, движение). Такую одежду выпускают фирмы ANBRE (B), Smart shirt, Life shirt, Wealthy, Intellitex, Vtam. Область использования: медицина, спорт, космонавтика, армия.

Сигналы сердца – один из основных параметров организма. Основа сердца – его мышцы, управляемые мозгом через электрические импульсы. Электропроводящий текстиль детектирует эти сигналы, которые затем анализируются, из них извлекаются необходимые параметры (частота, фаза и др.) и анализируются. В обычной практике при снятии электрокардиограммы используют токопроводящий гель для лучшего контакта электрода (датчика) и кожей. Но он после 24 часов вызывает раздражение кожи, поэтому в диагностической одежде его применять нельзя.

Но из-за не очень хорошего контакта, даже трикотажной майки (ткань не годится) с кожей сигнал получается слабый, возникают электроимпульсы. Датчики необходимо совершенствовать, повышая их чувствительность.

Сенсоры растяжения

Текстильный материал можно создать как сложную сеть электропроводящих волокон – дорожек, способных иметь множество контактов с кожей. При деформации тканей могут возникать следующие явления:

- изменяется число контактов в текстиле;

- волокна растягиваются;

- поперечные связи между нитями, пряжей ослабевают, уменьшаются.

Число точек контакта изменяется радикально даже при слабом натяжении. Деформация волокон имеет место при сильном натяжении. Увеличение число контактов снижают электрическое сопротивление, в то время как натяжение волокон и снижение точек переплетения ведет к повышению электрического сопротивления. Изменение электросопротивления при деформации зависит от структуры текстиля. Возникают пьезоэлектрические эффекты, что используется для создания текстильных датчиков деформации. По сигналам этих датчиков можно извлечь информацию о движении и позиции человека. Однако тут возникают проблемы. На эти сигналы могут влиять изменения в структуре текстиля при его эксплуатации (стирка, химчистка и др.), что приводит к изменению пьезоэлектрических свойств.

«Умная» диагностическая майка измеряет не только сердечные функции, но и скорость дыхания. Для этого используют трикотажный «ремень» из стальных волокон. При дыхании нагрудный ремень деформируется, так грудная клетка (объем) расширяется и сокращается, изменяется электропроводимость и, соответственно, сигнал. Такое изделие должно быть стабильно в условиях эксплуатации, и все равно его нужно калибровать на электрические свойства. Информация о кинетике (изменениях) в организме при нагрузках важна для больных, спортсменов, танцоров, в эргономических исследованиях.

CEA-LETI произвела 3D-ориентированную дорожку на основе обычных акселерометров (датчики скорости), магнитометров. На тело надевается «скелетон», позволяющий двигать руками. Замеряется изменение сигнала по мере усталости. Дополнительно «умные» перчатки фиксируют дополнительную информацию.

Датчики давления

Существует два типа текстильных сенсоров давления. Первый - это чувствительный к давлению текстиль на основе использования принципа «квантового туннелирования композитов» (QTC). Такой композит с характерными свойствами работает в нормальных условиях как изолятор, а при давлении становится проводником, наподобие металла. Подобный текстильный материал может найти широкое применение. Можно нанести специальную полимерную композицию на различные виды текстиля, который при растяжении будет проявлять эти электрические свойства, основанные на QTC. Такие материалы уже появились на рынке под название «Softswich™».

Второй вид сенсоров давления и материалов на их основе – это композитный текстиль. Он состоит из двух слоев карбонизированного токопроводящего текстиля, разделенных слоем непроводящим ток. Два токопроводящих слоя имеют разную электропроводимость. При нажатии на верхний более токопроводящий слой происходит его электрический контакт через дырочки сетки со вторым слоем. Сильнее давление – сильнее контакт, сильнее ток. Здесь играет роль размер ячеек и толщина непроводящей сетки. Основной материал сенсорной ткани состоит из комбинации токопроводящих волокон и полиамидных волокон. Из такой ткани можно сконструировать 3D-конструкцию (дешевые, можно стирать, широкий спектр областей использования). На рынке имеется сенсорная ткань Ekektex™ (Англия, Elexsen).

Оптоволокна – мультифункциональные сенсоры

Сенсорные волокна, основанные на использовании оптических свойств решетки Брэгга (FBG) – это вид оптоволокон, используемых для мониторинга изменений в структуре композитов, конструкций и других материалов.

«Политех» Гонконга разработал оптоволокна, способные измерять изменения в напряжении и температуре в композитах и текстильных структурах. FBG-сенсоры подобны нормальным оптоволокнам, но внутри, в определенном месте имеют дифракционную решетку, способную преломлять лучи определенной длины волны в зависимости от типа и размеров решетки. Текстиль, покрытый подобным слоем, способен детектировать напряжения, температуру, а также токсичные вещества и микроорганизмы.

Сенсоры, изменяющие цвет

Текстиль, изменяющий окраску, цвет, интенсивность, оттенок под действием различных физических и химических факторов – это потенциальный сенсор. Такие свойства колорист обычно рассматривает как отрицательные и стремится их избегать, но для «умного» текстиля это полезная функция.

Специальные термо-, хемо-, фото-, механо-, электро-, магнито-, радиоционно- и другие хромные красители используют для производства такого сенсорного текстиля. Области использования очень широкие: сенсоры всех этих импульсов, а также камуфляж.

Сбор, интерпретация и оперирование информацией

Сбор, интерпретация и оперирование информацией необходимы в случае активного использования информации (активный «умный» текстиль). Первая проблема интерпретации информации состоит в том, что различные импульсы требуют разного уровня интеллекта для интерпретации сигналов. Так сигналы о температуре, наличии токсичных химикатов и микроорганизмов в окружающей среде интерпретировать проще, чем сигналы о состоянии организма человека, которое все время меняется. При этом алгоритм интерпретации разный и во втором случае очень сложный, способный отслеживать и оценивать изменения, вызывающие необратимые изменения состояния здоровья.

Для сбора и интерпретации полученных данных необходим компьютер. Это самая сложная и до конца нерешенная проблема, так как компьютер должен быть миниатюрным, гибким, устойчивым в условиях эксплуатации и ухода за одеждой. В этом направлении ведутся работы с целью придания самому текстилю функции компьютера.

Актуаторы (исполнительные механизмы)

Актуаторы – устройства, выполняющие приказы, полученные от сенсоров или через устройство (компьютер), собирающие и анализирующие информацию от сенсоров.

Актуатор может производить механические манипуляции, шумовой сигнал, нагрев или охлаждение, изменять окраску и много других манипуляций.

Механические актуаторы

Механические актуаторы делают волокна в текстиле подвижными и, тем самым, изменяют свойства текстиля (теплоизоляция, проницаемость и др.). Более интересно придание текстилю (волокнам) свойства, которое можно назвать - «мускул». Если такие волокна интегрировать в текстиль, то он приобретает функции «второй кожи и мышц», увеличивая мышечную силу. Такие волокна внедряют в их определенном физическом состоянии в текстиль, что обеспечивает исполнение необходимого движения определенной силы. Эти волокна должны быть электроактивным материалом, способным реагировать на электрические сигналы, сильно сокращаться, обладать большой силой сокращения и коротким временем реакции (малая инерция), работать при слабом электрическом сигнале (низком электрическом напряжении). Эти свойства «мускульного» текстиля еще в полной мере не достигнуты. Это требует пока или значительного электрического сигнала (активного напряжения), или специальной химической среды. Но работы продолжаются. В качестве импульсов, вызывающих механические действия, используют температуру, химические и физические воздействия.

Актуаторы на основе гелей

Полимерные гели во многом отличаются от твердых материалов. Полимерные цепи в геле связаны химическими или физическими поперечными связями и образуют 3D-сетку. Гель в определенном растворителе набухает. При этом даже при низкой концентрации полимера гидрогель «держит» форму.

При определенной критической точке гель может выполнять роль актуатора, проявляя свойства твердого материала или как мягкая «бесформенная амеба». Кроме того, гели могут, как актуаторы, принимать различную форму, симметрично или несимметрично деформироваться в зависимости от структуры, в которой они используются.

Существует широкий круг импульсов (спусковых механизмов), вызывающих деформацию гелей.

Химические импульсы: рН (окисление, восстановление, redox), смена растворителя, изменение ионной силы.

Физические импульсы: свет, температура, механическое давление, магнитное поле, электрическое поле, микроволновое поле.

На практике гель инкорпорируют в волокно или в сам текстиль, что придает текстилю свойства «открываться» или «закрываться» под действием импульсов, это позволяет использовать текстиль как актуаторы различного типа, например, пряжа, содержащая гель в сердцевине, с Z или S круткой ведет себя как «живой» объект, т. е. при контакте с телом происходит локальное натяжение – это напоминает поведение мускулов (искусственные мускулы).

Полимеры, реагирующие на РН

В 1950 г. (W.Kuhn, A.Katchelsky) получили волокна, способные сокращаться при изменении рН. Но, к сожалению, скорость сокращения была низкая (несколько минут). Дальнейшие работы позволили сократить время до нескольких секунд и даже до 1/10 секунды, что близко к возможностям «живых» мускулов.

Позже искусственные мускулы были получены с использованием акрилового волокна Орлон, сокращающегося при подкислении (20% и более сокращения за 0,2 сек; быстрее чем мышцы человека). При этом сохраняется прочность (способны удерживать 4 кг/см2, это сильнее мышц человека).

Материалы с «памятью формы»

Материалы с «памятью формы» способны реагировать на изменение температуры. Впервые это свойство обнаружено у сплавов металлов, а затем и у полимеров. Последние дешевле, демонстрируют низкий уровень деформации, хорошую прочность и стабильность. К тому же реакцию полимеров на температуру легко модифицировать: с одним типом (набором) мономеров можно получать материалы с широким интервалом температуры «памяти формы».

Химические актуаторы

Химические актуаторы реализуются с помощью специальных химических веществ. В определенных условиях эти химикаты заключают в специальные контейнеры или химически связывают с полимером волокна. Покрытием «контейнера» или химической связью регулируют скорость высвобождения химикатов. «Контейнеры» в виде циклодекстрина или микро- и нанокапсул вводятся в волокно, текстиль.

Текстиль, способный высвобождать химические вещества, уже освоен на коммерческом уровне: продукты ухода за кожей, бактерициды, лекарства и др. Однако, активный контроль за высвобождением пока до конца не достигнут.

В качестве внешнего импульса для высвобождения химиката используют температуру, рН, влажность и другие параметры.

Области использования очень широкие: косметика, медицина (адресная доставка лекарств) и т.д.

Энергия

Для создания «умных» активных материалов (текстиль, одежда) не достаточно сенсоров и актуаторов, необходимо автономно генерировать, сохранять и использовать энергию, прежде всего, электрическую для работы сенсоров, актуации, работы процессора, для связи (коммуникации) с внешним миром. Источником энергии могут быть тепло тела, механика движения (деформация ткани, одежды при ходьбе, движении ног, рук), радиация и др.

Используют трансформации разницы температуры тела и окружающей среды в электрическую энергию (термогенератор, тепловой насос). Этот принцип известнее как Seeback-эффект.

Можно также использовать солнечную энергию и создавать гибкие солнечные панели на поверхности текстиля.

Хранение энергии (батарейки) ­– важный элемент «умного» текстиля, они должны быть маленькими, легкими и долговечными.

Связь (коммуникация)

Для «умного» текстиля коммуникационность имеет много функций и может быть использована, по крайней мере, в четырех направлениях:

- связь с одним из элементов одежды;

- связь между пользователем и одеждой для получения инструкций от внешнего устройства;

- связь между различными элементами одежды;

- связь между одеждой и пользователем или окружающей средой для передачи информации или получения инструкций.

Внутри одежды связь реализуется с помощью оптоволокон, токопроводящей пряжи или обычной тонкой электропроволоки. В любом случае эти материалы должны быть способными монтироваться в текстиль, не изменять его внешний вид и не ухудшать его основные исходные свойства. Связь с пользователем одежды важна, когда пользователь хочет получать информацию с помощью разных технологий.

Для создания гибкой сетки текстиля используют оптоволокна. Такая текстильная сетка имеет свойства гибкого дисплея, изменяя цвет. Для увеличения разрешающей способности такого экрана используют различные оптоволокна в одной сетке.

Текстиль чувствительный к давлению тоже может играть роль связующего, выполняя определенные команды. Этот принцип использован в коммерческих «мягких» телефонах или складной клавиатуре компьютера.

Коммуникация (связь) пользователя через «умную» одежду с внешней средой очень важна в случае телекоммуникационной медицины. Особенно важна для хронических больных связь в случае рисковых ситуаций. То же самое – во время боя. Здесь требуется беспроводная связь, а для этого необходимо встроить в одежду антенну, под которую можно использовать большую площадь текстиля одежды.

Интерактивный текстиль был создан еще в 2002 году фирмой Phillips вместе с другими компаниями.

Защита от перегрева/охлаждения

Термические (тепловые) актуаторы могут иметь разный уровень активности. Регулирование баланса тепло/холод (климат-контроль) обеспечивает высокий уровень постоянной температуры в пододежном пространстве. Материал со способностью супервысокой абсорбцией тепла будет поддерживать внутри костюма комфортную температуру.

Активные системы климат-контроля

Электропроводящий текстиль и волокна чувствительны к электрическому сигналу и поэтому могут быть использованы как нагревательный элемент. Охлаждение – более сложная проблема. «Апполо» разработало охлаждающую майку для космонавтов. Тонкие охлаждающие трубки вмонтированы в жакет. Охлаждающая жидкость через центральную охладительную систему (Peltier) циркулирует через эти трубки.

Полуактивное тепловое регулирование может быть произведено с помощью микрокапсул, заполненных воском, имеющим точку плавления близкую к необходимой (целевой) температуре (материалы с «памятью формы»).

Адаптивная теплоизоляция

В конце 1990 г. Rns TG (Defense Clothing and Textile Agency, Colchester UK) начали исследования по использованию материалов с «памятью формы» (сплавы металлов) для защиты от перегрева (реактивная защита от перегрева и пламени). Были использованы пружины из сплава никеля и титана (Nitinol). При комнатной температуре пружинки будут сжаты, а с повышением температуры сжатые пружинки распрямляются. Система состоит из двух отдельных слоев, в которых в хлопковую ткань (полоски) в один из слоев вмонтированы пружинки. Пружинки имеют коническую форму 25 мм диаметра. Пружинки между слоями при раскрытии раздвигают слои и увеличивают объем воздуха, который является хорошим теплоизолятором. Пружинки выполняют только одну функцию: при охлаждении они не возвращаются в исходную сжатую форму, для этого требуется механическое действие. В зависимости от вида пружинки (силы) можно достигать различный уровень теплоизоляции.

Позднее эта же фирма разработала вентиляцию пододежного пространства одежды солдат. Этот текстиль имитировал (биомиметика) поведение сосновой шишки, которая остается закрытой во влажном воздухе и раскрывается в сухой атмосфере. По этому подобию создают трикотажную структуру с полимерным покрытием, имеющим высокий коэффициент растяжения. Дырочки U-образной формы образуются в текстиле. Капилляры образуются (открываются), когда покрытие натягивается за счет повышения влажности, и закрываются снова, когда покрытие приходит к исходному состоянию (внутренняя влажность падает – человек перестал потеть).

Материалы, изменяющие фазу (PCMs)

Концепция микрокапсулирования PCMs была развита NASA в конце 70-х годов и начале 80-х ХХ века. Задача была – защитить точные приборы от действия больших колебаний температуры в космосе. NASA опубликовала к тому времени книгу «Phase change materials Hanelbook» (1971 г.), где указывалось более 500 видов таких веществ, способных изменять фазовое состояние при изменении температуры и поглощать тепло. PCMs способны изменять фазовое состояние в определенном интервале температур. Латентная скрытая тепловая энергия, выделяемая (поглощаемая) при фазовом переходе между жидким и твердым состояниями примерно в 200 раз больше, чем при нагреве/охлаждении равного по массе материала.

Вода не годится как PCMs, так как фазовый переход при 0°С (далека от температуры тела), и молекулы воды очень маленькие и будут проникать (мигрировать) через стенки капсулы. Для защитного текстиля используют парафиновый воск (смесь разных углеводородов с различной длиной углеродной цепи: С18Н38, С20Н42, нонодекан С19Н40, октадекан С18Н44), фазовый переход которого близок к температуре тела. Капсулы с парафином инкорпорируют в текстиль, покрытием из полимера фиксируют капсулы.

Электрические актуаторы

Электростимуляция активирует мускулы с помощью электрического импульса (как в природе). Электропроводящий текстиль используют для действия электрического импульса в любой части тела. Исследования фокусируются на физиологическом эффекте стимуляции, как, например, сокращение мышц, чувствительности кожи и т.д. Активный контроль мышц – это контроль за движением человека, который определяет жизнедеятельность и выживание в критические моменты. Для больших успехов в этом направлении необходимы детальные знания (интимные механизмы) функционирования мышц: как работают разные мышцы, время сокращения, размах (вилка) сокращений, позиция, сигналы, контрольные модели и др. Все эти исследования из области когнитивных технологий пока на старте.

Защита от ударов

Ситуация возникает в различных случаях: попадание предмета (кирпич с крыши), пули, осколки, ударная волна, нападение человека и т. д. В каждом случае требуются разные решения.

Защита от пуль (в общем виде) наиболее простая задача, которую можно решить пассивной защитой.

Реальный активный защитный костюм должен превентивно обнаруживать риск «удара», «нападения» и реагировать на него. Детекция при падении человека должна быть простой и быстрой. При ударе предметом задача более сложная.

Защитный костюм должен предупреждать об опасностях, защищать тело в опасных местах (жесткость при импульсе), оказывать лечебное действие, вызывать помощь и т. д. (мотоциклисты, коники).

Заключение

Последнее десятилетие XX и начало XXI веков отмечены беспрецедентным развитием прорывных технологий (NBIC) во все области быта, техники и науки. Одним из главных объектов использования достижений в областях, связанных с NBIC (новое поколение полимеров, микро- и наноэлектроника, бионика и др.), является производство нового поколения волокон, «умного» текстиля и одежды. В свою очередь, «умный» текстиль (в широком смысле слова) и одежда, приобретая новые и существенно улучшая традиционные свойства, чрезвычайно расширили области использования текстиля. Это все виды транспорта, включая космос, защитная одежда для армии, для силовых структур, для спорта (особенно экстремального), для медицины, строительство, сельское хозяйство, экология и прочее. Расширились возможности использования «умного» текстиля и одежды в традиционных областях: одежда с новыми эстетическими эффектами и IT-функциями, домашний текстиль с защитными, предупреждающими риски функциями, с управляемыми эстетическими эффектами.

Перечисленные новые свойства, функции «умного» текстиля, области его применения – это только начало технологической революции в области производства волокон, текстиля и одежды.

К сожалению, этот мировой тренд, имеющий важный вклад в социальную экономику, не находит отражение в федеральных планах развития РФ.

Литература

Г. Е. Кричевский. Нано-, био-, химические технологии и производство нового поколения волокон, текстиля и одежды. М., 2011 г. 528 с.

Textiles for Protection. By R A Scott. Oxford. Woodhead Publishing Limited, CRC Press. 2010. 590 p.

Military textiles. Edited by E.Wilusz, US Army Natick Soldier Center, USA. 2008. 384 p.

Г. Е. Кричевский. Волокна прошлого, настоящего и будущего. 27.01.2012. Портал НОР

Г. Е. Кричевский. Технологии двойного назначения в производстве комплекта одежды солдата 21-го века и изделий гражданского назначения. Росс.хим.журнал т.LVN3. 2011 г. с. 67-72.

Г.Е.Кричевский. Дорожная карта нанотехнологий в производстве волокон, текстиля и одежды. 10.12.2010 г. Портал НОР


Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!