エンジニアは、着用者を冷やしたり温めたりできる高度な生地を織りました

2022 年 10 月 11 日

信州大学による

テキスタイルエンジニアは、相変化材料とその他の先進的な物質の一部で作られた極細のナノ糸で織られた生地を開発しました。これらを組み合わせて、温度の変化に対応して、必要に応じて着用者を加熱および冷却できる生地を製造しました。 。

材料科学者は、材料が液体から固体に相変化するときに大量の熱を蓄え、放出できる相変化材料をコアに含むナノスケールの糸を使用した先進的なテキスタイルを設計しました。 効果を高める電熱および光熱コーティングと糸を組み合わせることで、本質的に、条件の変化に応じて着用者を素早く冷やし、温めることができる生地を開発しました。

製造技術を説明した論文が8月10日のACS Nanoに掲載されました。

消防士から農場労働者に至るまで、多くの職業は過酷な暑さや寒さの環境を伴います。 冷蔵倉庫、アイスリンク、製鋼所、パン屋、その他多くの現場では、労働者は異なる温度、場合によっては極端な温度の間を頻繁に移動する必要があります。 このような定期的な温度変化は不快であるだけでなく、病気や怪我さえも引き起こす可能性があり、面倒な衣服の定期的な交換が必要になります。 セーターは冷たい食肉ロッカー内で労働者を暖かく保ちますが、同じ労働者がそのスペースを離れるときに過熱する可能性があります。

このような不快感を経験するこのような労働者、またはアスリートから旅行者に至るまでのあらゆる人々の暑さや寒さのストレスを軽減するための 1 つの選択肢は、パーソナルサーマルマネジメントテキスタイルの新興テクノロジーです。 これらの生地は、体の周囲の局所的な領域の温度を直接管理できます。

このような生地では、多くの場合、材料の相 (または物質の状態、たとえば固体から液体) が変化するときに大量の熱を蓄え、後で放出できる相変化材料 (PCM) が使用されます。

そのような材料の 1 つはパラフィンであり、原理的にはさまざまな方法で繊維材料に組み込むことができます。 パラフィンの周囲の環境の温度が融点に達すると、熱の吸収を伴い、パラフィンの物理的状態は固体から液体に変化します。 そして、温度がパラフィンの凝固点に達すると熱が放出されます。

残念ながら、PCM は固体の状態では本質的に固体であり、液体の場合は漏れるため、ウェアラブル温度調節分野での応用はこれまで妨げられてきました。 マイクロカプセル化（パラフィンなどの PCM を非常に小さなカプセルにコーティングする）を含むさまざまな戦略が、剛性と漏れの問題を克服するために「パッケージング効率」を向上させるために試みられてきました。

「ここでの問題は、相変化マイクロカプセルの製造方法が複雑で、非常にコストがかかるということです」と、論文の責任著者であり、信州大学繊維工学研究所の先端繊維技術者である森川英明氏は述べた。 「さらに悪いことに、このオプションでは、現実的にウェアラブルなアプリケーションに対して柔軟性が不十分です。」

そこで研究者らは、同軸エレクトロスピニングと呼ばれる選択肢に目を向けた。 エレクトロスピニングは、直径がナノメートルオーダーの極めて細い繊維を製造する方法です。 バルクリザーバー (通常は先端に針の付いた注射器) に含まれるポリマー溶液が高電圧電源に接続されると、液体の表面に電荷が蓄積します。

すぐに、蓄積された電荷による静電反発力が表面張力よりも大きくなる点に到達し、その結果、液体の非常に細かいジェットが発生します。 液体のジェットが飛行中に乾燥すると、ジェットを発生させたときと同じ静電反発力によってさらに引き伸ばされ、結果として得られる極細繊維がドラム上に集められます。

同軸エレクトロスピニングはほぼ同じですが、隣接する紡糸口金から供給される 2 つ以上のポリマー溶液を必要とし、コーティングされたナノファイバーまたは中空のナノファイバーの製造を可能にします。 これらのコアとシースのファイバーは、ステレオで使用される同軸ケーブルと同様の構造をしていますが、はるかに小さいです。

この場合、研究者らは電界紡糸ナノファイバーの中心に PCM をカプセル化し、PCM 漏れの問題を解決しました。 加えて、極細繊維により人間の衣類に適した極めて良好な柔軟性を実現します。

繊維が機能する作業環境の範囲と温度調節の精度をさらに拡大するために、研究者らは、PCM 素材を他の 2 つの個人用温度調節技術と組み合わせました。

光応答性材料 (太陽エネルギーの存在に反応する材料) と PCM を組み合わせることで、繊維のエネルギー貯蔵能力をさらに高めることができる可能性があります。 さらに、電気を熱に変換するポリマーで複合材料をコーティングすること（電熱伝導性コーティング）により、作業者が曇り、雨、または屋内条件に置かれた場合でも、同様のエネルギー貯蔵の拡大を補うことができます。

研究者らは、PCM、カーボン ナノチューブとポリドーパミン太陽光吸収剤、ポリ (3,4-エチレンジオキシチオフェン):ポリスチレンスルホン酸 (「PEDOT:PSS」として知られる) で作られた導電性ポリマーの 3 つのオプションを単一の「トライモード」体温調節に組み合わせました。そしてウェアラブルなテキスタイル。

このマルチコアとシェルの構造により、さまざまなコンポーネント間の相乗的な連携が可能になり、幅広い環境温度の変化に適応できるオンデマンドの温度制御が実現します。

研究者らは現在、布地の相転移特性をさらに改善し、その材料の実用的でウェアラブルな用途を開発することを目指している。

詳しくは： Jiajia Wu ら、ウェアラブル個人用熱管理用の階層コア-シース繊維構造を使用して設計されたトライモード温度調節柔軟な繊維膜、ACS Nano (2022)。 DOI: 10.1021/acsnano.2c04971

雑誌情報:ACSナノ

信州大学提供