Technologie přípravy smart textilií. Jana Drašarová

Transkript

1 Technologie přípravy smart textilií Jana Drašarová

2 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)

3 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

4 Vodivé materiály - vlákna senzory, indikátory pasivní ST 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, )

5 Vodivé materiály - vlákna pasivní ST tenké kovové drátky tažení (za tepla, studena) Taylorův proces (pokrytí kovu sklem, 10 µm) odpor vodivé polymery technologie Soft switch = elastomerní materiály obsahující nano-částice kovů = deformace kontakt vodivost síla (wearable computers)

6

7 Chameleonní (chromismus = změna barvy) mění svou barvu působením vnějších podmínek aktivní ST UV záření, teplo, tlak, elektrický proud, kapaliny

8 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

9 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

10 PIGMENTY MĚNÍCÍ ODSTÍN PŘI SLUNEČNÍM SVITU

11 PIGMENTY MĚNÍCÍ ODSTÍN V ZÁVISLOSTI NA TEPLOTĚ

12 VYUŽITÍ CHAMELEONNÍCH TEXTILIÍ V PRAXI Medicína obvazy, teploměry Sport ALPINE PRO móda

13 Móda - VERONIKA BENEŠOVÁ

14

15 STONE ISLAND

16

17 DEŠTNÍK MĚNÍCI BARVU NA DĚŠTI

18 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)

19 Výroba nánosování, roubování, UV, Použití kontrolované uvolňování funkční substance (robotické svaly, senzory, kontrola kvality) regulace teploty a vlhkosti kontrola porozity

20 ph citlivé materiály SSMs Polyelectrolytické gely kyselost/ zásaditost

21 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 32 o C hydrofilní nad 32 o C hydrofobní

22 Aktivní Phase Change Material PCM = Materiály měnící fázi teplota pevná l. tekutina, teplo absorbuje teplota tekutina pevná l., teplo uvolňuje akumulace intenzita C čas 6-10 min uvolnění absorbce tepla z lidského těla nebo okolí

23 Změny tepoty a tepla během fázových změn kapalina pevná látka nastavení přechodové zóny v teple akumulace v chladu uvolnění

24 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, CH 3 -(CH 2 ) n -CH 3 netoxické, nekorodují, chem. inertní - teplota tání a teplo tavení s délkou řetězců Organické PCM Compound Melting temperature ( o C) n-heneicosane (21) 40.5 n-eicosane (20) 36.8 n-octadecan (18) 28.2 n-heptadecane (17) 21.7 Vinyl stearate Capric acid 32 Methyl-1,2-hydroxystearate Lauric acid 42-44

25 Shape Memory = tvarová paměť

26 Materiály 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 Použití medicína rovnátka, dentální aparáty, chirurgické nástroje, katetry, kostní protézy, šrouby samo-roztažné: expandují v 37 C

27 SMA unikátní chování tvarová paměť superelasticita biokompatibilita nekoroduje Slitiny (SMA) Nitinol 1960s Nickl (Ni), Titan (Ti) a Naval Ordnance Laboratory (NOL)

28 Fázová změna z pevné na pevnou fázi (změna v krystalických oblastech) Austenit vysokoteplotní krystal symetrický centrovaný tetragonální tvrdost Martensit nízkoteplotní zkroucená krychle měkkost, deformabilita

29 Fázová změna z pevné na pevnou fázi - vratná M s_ = teplota, kdy začíná transformace z A na M (ochlazení) A f _ = 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 M f_ = teplota, kdy končí transformace z A na M (ochlazení) A s_ = teplota, kdy začíná transformace z M na A (ohřev)

30 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? Flexinol TM drátěný akční člen - cca 1,000,000 bez poškození

31 Co to je superelasticita? vysoká deformabilita 1) deformace = používání v austenitické (tvrdé) struktuře (pokoj.tep. nad teplotou A f ), deformací změna na martensit 2) zotavení = transformace z martensitu na austenit po uvolnění zatížení 10% obnovitelnost elasicity, hystereze nejsou nutné tepelné změny metal change = constant SMA 0.7% 10%

32 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

33 tvarová paměť X superelasticita X pseudoplasticita SMA superelasticita -150, 200 C /2 to 20 C pseudoplasticita

34 fáze SMP Polymery fázová změna z pevné do pevné fáze Sklovitý stav nízkoteplotní tvrdost Změna při teplotě zeskelnění Tg aktivační bod 30 C,70 C Kaučukový stav vysokoteplotní měkkost sklovitý plastický viskózní tekutina kaučukový viskoelastický teplota krystalický amorfní

35 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

36 Výroba Bloková kopolymer s tvrdými a měkkými segmenty Tvrdé segmenty = krystalická fáze = polyuretan Měkké segmenty = polyeter nebo polyester diol DIAPLEX, c_change Barriérový Mechanismus (aktivační bod na 0 o c) waterproof ( mm), breathability (6 000 až g/m2 za 24 hod) nekondenzuje elasticita a měkký omak lamináty

37 Gore-Tex / mikro-póry / Sympatex / žádné póry / chemické skupiny (adsorpce, difuze, desorpce molekul vodní páry) shape memory polyuretany (SMPUs)

38 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

39 Aerogely pevný kouř - 96% porozita matrice křemíku (SIO 2 ), 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

40 2004 Guinness World Records Book Aerogely - vlastnosti hustota 1,6 3 mg/cm 3 96% porozita (obsahuje více než 96% vzduchu, váží 526* méně než voda) částice 2 5 nm měrný povrch 900 m 2 /g unese 2000 než váží tepelná izolace C vodivost (40 skleněná vlákna) průhledný, průsvitný, fotoluminiscentní

41 Auxetické struktury

42 r Poissonovo číslo při působení síly ve směru osy y konvenční 0,2-0,4 pozitivní Poiss. číslo protažení ve směru y (+) sražení ve směru x (-) yx x auxetické negativní Poiss. číslo protažení ve směru y (+) protažení ve směru x (+) y

43 Vlastnosti pod tlakem: zeslabení konvenční protržení auxetické změna porozity = kondenzace, odpor proti deformaci vysoká absorpční schopnost energie, zvuku vysoká zpracovatelnost

44 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

45 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) Auxetická vlákna polymery (PES, POP, PUR) + auxetické tyčinky Auxetické pěny, síta, filtry Mikroskopická úroveň konvenční - auxetická buňka pěny

46 Makroskopická úroveň Použití 2D textilie, 3D textilie, kompozity 2D textile auxetická vlákna ovinutá vodivými nebo barevnými nitěmi auxetická vlákna zesílení, absorpce, horolezecká lana (sevření ve skobě)

47 Makroskopická úroveň Použití 3D textilie lehkost, pevnost, odolnost, zpracovatelnost, tvarovatelnost, absorpce energie = helmy, pancéřované obleky

48 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

49 Použití Auxetické struktury v medicíně Chirurgické implantáty (šití, šlachy, dilatátor cév angioplastika PTFE) Kontrolované uvolňování léků

50 Rozvětvené makromolekuly - dendrimery jednoduchý řetězec dendrimer polymerní krystal Ochranné materiály ochrana proti biol. a mikrob. látkám (nanočástice stříbra) léčba zranění biomolecula, nanočástice,

51 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, m nm λ viditelného světla molekulární, atomová uroveň nano částice = měrný povrch m 2 /kg objem 4 r 3 plocha 4 r 3 2 d =1 [mm] d =1 [um] Volume [mm3] 0,52 0, Surface Area [mm2] 3,14 0, Area/Capacity

52 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

53 Property function Chemical composition Optical Electrical Protective Absorption Reflection Antireflection Photoconductiv Conductive semiconductor Feroelectrical Elektrochromic corrosion resistance Alkali res. Anti oxidation Mechanical TiO 2 -SiO 2, SiO 2 -R m O a : R=metal TiO 2, PbO-TiO 2, In 2 O 3 -SnO 2 ZrO 2, SiO 2, Na 2 O-B 2 O 3 -SiO 2 PbO-TiO 2, SiO 2 -TiO 2 Oxiddy In, Sn, V, Sn/Sb, TiO x N y SiO 2, Cd 2 SnO 4 Titans Ba, Pb Oxidy W Oxidy Ti SiO 2, TiO 2, ZrO 2 AlPO 4, MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 -P 2 O 5 SiO 2, SiO 2 -GeO 2, Al 2 O 3 SiO 2, Al 2 O 3, ORMOSILy (organical modificated silicals) Catalytical SiO 2, SiO 2 /zeolit, TiO 2, Ag-(Al 2 O 3 )-SiO 2 Pd-SiO 2, layers and dry gels (xerogels) Photo-catalytical TiO 2 (modification anatas), TiO 2 -SiO 2 -PDMS TiO 2 -V 2 O 5, TiO 2 -MnO, Ag - TiO 2 Anti-bacterial Ag-SiO 2, Ag-Al 2 O 3 -SiO 2

54 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

55 Mikro,- nano,- částice supramolekulární cyklické structury enkapsulace

56 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

57 Enkapsulace Mikro balení, koule, krystaly aktivní materiály uzavřené v tenkém polymerním obalu m neporézní teplo- PCM, barva- tropic = chromism porézní postupné uvolnění

58 Mikroenkapsulace/ NEporézní/termotropní PCM Modifikace vláken zvlákňování OUTLAST (fy Dupont) PAN vlákna + PCMkuličky další aplikace zátěry, pěny

59 Postupné uvolnění Mikroenkapsulace/ porézní 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

60 Aplikace na textilie plněné vlákno- dutý POP zvlákňování Outlast impregnace vláken pěna nebo zesíťujícím prostředkem povrchy - postřik, nános, tisk, impregnace + termofixace membrány - laminování

61 Samočistící povrchy

62 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

63 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