ترجمه: آزاده موحد

بر اساس گزارشی که توسط کمپانی تحقیقاتی Transparency Market Research واقع در شهر آلبانی، ایالت نیویورک انجام شده است، پیش بینی می شود بازار پارچه های هوشمند تا سال 2023 بیش از 7 میلیارد دلار رشد کند.

به گزارش سرویس اطلاع رسانی نساجی امروز،  موارد کاربردی این محصولات و در واقع محرک های رشد آن ها ، بسیار گسترده می باشد از کالاهای ورزشی گرفته تا موارد پیچیده پزشکی و نظامی. در حال حاضر پارچه های هوشمند ابزاری هستند برای کنترل ورزشکاران، بهبود و به حداکثر رساندن کارایی آن ها؛ تنظیم دمای بدن افراد بیمار در بخش جراحی یا مراقبت های ویژه؛ تشخیص استرس و فشار در آتش نشان ها و سایر افرادی که در شرایط محیطی پر تنش قرار می گیرند و یا انتقال داده ها از سنسورهای تعبیه شده در منسوجات به گوشی های هوشمند یا نقطه کنترل مرکزی برای کنترل به موقع و انجام سر وقت عملیات پیشگیری کننده.

 

کاربردهای صنعتی بالقوه برای محصولات فوق نیز عبارت است از تشک های تنظیم کننده دمای بدن در صنعت هوانوردی و طراحی داخلی، سیستم های جلوگیری از یخ زدن ایرفویل ها و پارچه های حس کننده رطوبت در صنعت ساخت و ساز. 

بسیاری از این کاربردهای بالقوه به خصوصیات فیزیکی اصلی که درون منسوجات هوشمند به کار گرفته می شود، وابسته هستند. پارچه های رسانای جدیدتر قابلیت انتقال الکتریسیته را دارا می باشند که از این ویژگی می توان برای تولید حرارت یا انتقال اطلاعات به شیوه ای پویا و بدون نیاز به سیم های قدیمی استفاده کرد.

رسانایی خصوصیتی است که می توان از آن برای ایجاد ارزش افزوده در یک محصول کمک گرفت برای مثال محصولات رسانا می توانند به عنوان منبع نیرو برای سنسورها و انتقال اطلاعات ضبط شده به یک رایانه راه دور(رایانه ای است که هر کاربری توانایی دسترسی فیزیکی به آن را ندارد اما می تواند از طریق شبکه رایانه ای به آن دسترسی پیدا کند) یا گوشی های همراه و تبلت ها و وسایلی نظیر آن باشند.

با دو روش اصلی می توان یک پارچه را رسانا کرد؛ یکی استفاده از رشته های رسانا در پارچه و دیگری به کار گرفتن پوشش های رسانا بر روی سطح پارچه. رشته های رسانا شامل الیاف فلزی طبیعی یا بشرساخت می شوند.

رسانایی این رشته ها بسیار بالاست و در تجهیزاتی نظیر برچسب های RFID(سامانه بازشناسی با اموج رادیویی) به کار می روند.به گزارش سرویس اطلاع رسانی نساجی امروز،   البته سختی این رشته ها از انعطاف پذیری، نرمی و قابلیت آویزش ماده اولیه می کاهد. کنترل دقیق خواص الکتریکی پارچه و ایجاد الگوهای پیچیده ای از رسانایی می تواند به دلیل کشیدن شدن پارچه مشکل باشد. 

کمپانی تحقیقاتی Battelle واقع در کلمبوس-مرکز ایالت اوهایو-با استفاده از فرمولاسیون نانولوله های کربنی پوشش رسانایی را تولید کرده است که مشکلات مربوط به رشته های فلزی یا سیستم های سیمی تعبیه شده در منسوج را ندارد.

پوشش های متشکل از نانولوله های کربنی بسیار رسانا، انعطاف پذیر و سبک بوده و می توان آن ها را درون یک لایه نازک به کار گرفت به نحوی که با پارچه حرکت کند و هیچ اخلالی در آویزش یا سایر ویژگی های پارچه ایجاد نکند. پوشش های نانولوله ای کربنی به آسانی درون پارچه های هوشمند قرار گرفته و رسانایی را در پارچه به وجود می آورند.

تفاوت منسوجات اسمارت و اینتلیجنت چیست؟

پارچه های اسمارت منسوجاتی هستند که از طریق الیاف تعبیه شده در آن ها یا پوشش های کارکردی، یک سری ویژگی ها به آن ها افزوده شده است. این ویژگی ها می تواند صرفا جنبه زیبایی داشته باشد مانند لباس های نورانی یا تغییر رنگ دهنده و یا یک ویژگی کارکردی باشد نظیر ضد میکروب یا حرارت بودن یا آزادسازی موضعی عناصر فعال. این ویژگی های بدون هیچ تاثیر محیطی در پارچه وجود دارد.

پارچه های اینتلیجنت یک گام جلوترند. این پارچه ها قابلیت حس کردن و واکنش نشان دادن به محرک های محیطی را دارند. آن ها نه تنها یک ویژگی کارکردی اصلی دارند بلکه نیازمند سنسورهایی برای جمع آوری اطلاعات از محیط اطراف و مکانیزمی برای پاسخ دادن به داده های محیطی و بستن این حلقه می باشند. با ایجاد ارتباط بین سنسورها و هیترها یا سایر فناوری های فعال می توان به کنترل حلقه بسته دست پیدا کرد. پوشش رسانا یک فعال کننده مهم برای رسیدن به این عملکرد است. 

برای مثال یک پارچه اینتلیجنت به جای این که هنگام فعال شدن تنها از خود حرارت تولید کند، به دمای محیط یا دمای بدن شخص واکنش نشان می دهد تا حرارت را بر اساس آن تنظیم کند و دما را در نقطه تعیین شده ثابت نگه دارد.

پارچه های تشخیص دهنده انواع دیگری از پارچه های اینتلیجنت هستند که علایم حیاتی شخص را کنترل کرده و اطلاعات را مستقیما به اپلیکیشن گوشی های همراه ارسال و اقدام مناسب را گوشزد می کنند. پارچه های محافظ با پوشش های کارکردی نیز از این نوع پارچه ها هستند که در صورت وجود آلودگی در محیط تغییر رنگ داده و به فرد هشدار می دهند.

بعضی از کاربردهای پارچه های فوق در حال حاضر نیز قابل مشاهده است و بعضی هنوز در مرحله توسعه قرار دارد. فناوری های پایه و اساسی باعث رشد این قبیل پارچه ها و سایر پارچه های اینتلیجنت مشابه می شوند که به زودی طیف گسترده ای از کاربردها و عملکردهای مختلف را با خود به همراه خواهند آورد.

ساخت منسوجات اینتلیجنت پوشش دهی شده

منسوجات پوشش دهی شده از دو یا چند لایه تشکیل می شود که درون یک ماده اولیه کامپوزیتی قرار گرفته است. تولیدکنندگان می توانند با ترکیب درست و مناسب منسوجات پایه و پوشش های کارکردی، ترکیبی از ویژگی های مورد نیاز و مطلوب را در منسوجات ایجاد کنند. منسوج پوشش دهی شده حاصل  دارای عملکردهای متعددی است که در هر کدام از اجزا به تنهایی یافت نمی شود.

• پارچه پایه استحکام لازم در برابر کشش و پارگی، ازدیاد طول و ثبات ابعادی ماده اولیه کامپوزیتی را تامین کرده و از لایه ای که روی آن را پوشش داده است، حمایت می کند.

• لایه پوشش دهنده کنترل کننده خواص شیمیایی بوده و مقاومت سایشی و مقاومت در برابر نفوذ مایعات و گازها را تامین می کند. این لایه همچنین می تواند تامین کننده خواص کارکردی نیز باشد هم خصوصیات غیرفعال نظیر ضد میکروبی یا آسان تمیز شوندگی و هم خصوصیات فعال نظیر حرارت دهی یا حسگر بودن.

پوشش های اسمارت-نانولوله های کربنی، رزین ها یا پلیمرها-را می توان طوری طراحی کرد که دارای خواص عملکردی منحصر به فردی باشند از جمله رسانایی، مقاومت در برابر باکتری یا قابلیت حس کردن. بسیاری از پوشش های اسمارت از جمله پوشش نانولوله ای کربنی کمپانی باتل را می توان با روشی که برای پوشش های متداول به کار گرفته می شود بر روی منسوج به کار گرفت مانند استفاده از چاقو، انتقال، روش پوشش دهی کمپانی زیمر، روش غلتک به غلتک و اسپری کردن. 

پوشش ساختاری رسانا برای سطوح بی قاعده و انعطاف پذیر منسوجات

کمپانی باتل یک پوشش رسانای اسمارت تولید کرده است که دارای ترکیبی منحصر به فرد از خصوصیات مختلف می باشد. این پوشش متشکل از نانولوله های کربنی برای استفاده بر روی زیرلایه های انعطاف پذیر یا بی قاعده نظیر منسوجات طراحی شده است(شکل 1). پوشش جدید باعث هدایت جریان الکتریسیته و انتقال یکنواخت حرارت برای تامین نیروی لازم برای سنسورها یا انتقال اطلاعات می شود و بر خلاف بیشتر پوشش های رسانا تاثیر منفی بر خواص پارچه نخواهد داشت.

بیشتر پوشش های رسانا برای استفاده بر روی زیرلایه های سفت و سخت طراحی شده اند و برای زیرلایه های نرم، بی قاعده و انعطاف پذیر نظیر منسوجات مناسب نیستند. این پوشش ها معمولا زمانی که بر روی زیرلایه های نرم و انعطاف پذیر به کار گرفته می شوند، به دلیل خم شدن ماده اولیه رسانایی خود را از دست می دهند. آن هم همچنین ممکن است باعث تغییر خواص سطحی و افزایش سختی زیرلایه شوند.

برای بهره گرفتن کامل از پتانسیل های پارچه های رسانا لازم است تا پوشش به کار گرفته شده قابلیت خم شدن با زیرلایه انعطاف پذیر را داشته باشد و در عین حال سایر خصوصیات کاربردی زیرلایه مورد نظر را نیز حفظ کند. فرمولاسیون پوشش رسانای ساختاری باتل به صورت نانولوله های کربنی تک جداره معلق است که به طور مستقیم بر روی منسوج به کار گرفته می شود و یک لایه رسانای نازک را بر روی منسوج تشکیل می دهد. با اعمال نیرو به این لایه حرارت و الکتریسیته تولید می شود.

از آن جایی که می توان با به کار گرفتن یک لایه نازک از پوشش نانولوله ای کربنی بر روی زیرلایه، رسانایی بالایی ایجاد کرد، افزایش وزن یا حجم و یا تغییر در انعطاف پذیری یا آویزش پارچه را نخواهیم داشت.

این پوشش باعث ایجاد حرارت یکنواخت و قابل پیش بینی بر روی زیرلایه انعطاف پذیر و بی قاعده می شود و حتی در صورت خم شدن زیرلایه باز هم رسانایی آن از بین نخواهد رفت. این روش در مقایسه با روش های متداول رسانا کردن منسوجات دارای مزیت هایی است:

• حفظ رسانایی پارچه حتی در صورت حرکت، کشیدگی یا آویزان شدن پارچه

• تاثیر نداشتن بر خصوصیات پارچه نظیر آویزش، نرمی و انعطاف پذیری

• اضافه شدن حداقل وزن و تقریبا هیچ حجم اضافی به پارچه به دلیل ضخامت بسیار کم پوشش(حدود 3 میکرومتر)

• قابلیت به کارگیری به صورت یک لایه شفاف که تغییری در رنگ یا طراحی پارچه ایجاد نمی کند

• حمایت از الگوهای پیچیده در منسوجات اینتلیجنت پیشرفته که نیازمند کنترل موضعی و بازخورد حلقه بسته هستند

• نیاز به کمترین مقدار نیرو برای حرارت دهی یا رسانایی الکتریکی

محققان کمپانی باتل با انجام این پروژه موفق شده اند خصوصیات، ثبات، تولید، یکپارچگی و پایداری پوشش های نانولوله ای کربنی و محصولات آن ها را بهینه کنند. سیستم پوشش دهی در طول مراحل توسعه خود آزمایش های سختی را در رابطه با دوام و پایداری آن پشت سر گذاشته است از جمله تست رطوبت، قرار گیری در معرض آب و حلال، مقاومت در برابر خوردگی، خم شدن های دوره ای، حرارت دیدن دوره ای و تست مقاومت در برابر کشش زیاد. نتایج مثبت به دست آمده از این آزمایش ها باعث افزایش اعتماد به محصول جدید در موارد کاربردی مختلف شده است. 

پوشش های نانولوله ای کربنی در صنعت هوافضا نیز مورد تایید قرار گرفته اند و مشکلی از لحاظ ضدیخ بودن و یخ زدایی در هواپیماها و وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین نداشته اند. به کارگیری این فناوری در پارچه امکانات جدیدی را برای استفاده از آن در بخش های منسوجات پزشکی، پوشاک، منسوجات صنعتی و نظامی فراهم می کند. فناوری جدید دارای کاربردهای متعددی در منسوجات است برای مثال تشک های حرارتی در ایرفویل ها و پارچه های گرم کن برای استفاده در گرمادرمانی. 

فرصت های بازار: پارچه های حرارت دهی شده

اولین بازار برای پوشش های نانولوله ای کربنی رسانا مربوط به محصولات گرم کن است. این پوشش ها به جای تکیه بر سیم های تعبیه شده در پارچه یا رشته های فلزی به کار رفته در منسوج، به عنوان یک رسانای الکتریکی در پارچه عمل می کنند. به گزارش سرویس اطلاع رسانی نساجی امروز، رسانایی بالا/مقاومت پایین پوشش های جدید به این معناست که فیلم های بسیار نازک قابلیت تولید حرارت را دارند و در نتیجه پوشش سبک تر، نازک تر و با انعطاف پذیری بیشتری نسبت به فناوری های مشابه موجود در بازار خواهیم داشت که این امر با خود مزایای چشمگیری به همراه خواهد داشت. علاوه بر آن در مواردی که ضخامت، وزن و سازگاری مشکل ایجاد می کند، این روش چاره ساز خواهد بود.  

کاربردهای احتمالی فناوری فوق عبارتند از:

• پزشکی-از این پارچه ها می توان برای تولید لباس های مخصوص بیماران و پرسنل بیمارستان در اتاق عمل که دمای آن باید کنترل  شده باشد، استفاده کرد. این پارچه ها همچنین در گرمادرمانی نیز کاربرد دارند.   

• خودروسازی-صنعت خودروسازی می تواند با به کارگیری مستقیم سیستم حرارت دهی در پارچه های روکش صندلی، صندلی های گرم کن تولید کند و با این کار در مصرف انرژی و مواد اولیه مورد نیاز برای ساخت مدارهای پیچیده صرفه جویی کند. علاوه بر آن با استفاده از این نانولوله های کربنی بر روی سایر سطوح داخلی خودرو می توان برای هر سرنشین به صورت جداگانه سیستم حرارت دهی شخصی و سفارشی داشت.

• مبلمان و منسوجات خانگی-از پارچه های دارای پوشش جدید می توان در روکش تشک، مبلمان و صندلی و سایر کالاهای پارچه ای استفاده کرد. حرارت دهی ملایم از مبلمان باعث می شود شخص در دمای محیطی پایین تر هم احساس راحتی داشته باشد و در نتیجه در مصرف انرژی صرفه جویی می شود. 

• ساخت و ساز-از مواد عایق پاسخ دهنده می توان به عنوان پوشش لوله ها برای انتقال حرارت در شرایط آب و هوایی سرد استفاده کرد. زیرلایه هایی که در زیر کف پوش ها قرار می گیرند می توانند باعث گرمایش کف شوند.

• پوشاک-لباس های گرماده می توانند برای استفاده سربازان نظامی،امدادگران اورژانس، کارگران ساختمانی، ورزشکاران و سایر افرادی که در فضاهای خارجی و یا فضاهای داخلی با دمای پایین مثل اتاق عمل فعالیت می کنند، بسیار مفید باشند. پوشاک اینتلیجنت بر پایه منسوجات اسمارت این قابلیت را دارند که سریعا در برابر افت دما واکنش نشان دهند و در نتیجه شخص هیچ گاه احساس گرما یا سرمای شدید و ناراحت کننده نخواهد کرد.

منسوجات اینتلیجنت پاسخ دهنده

با وجود آن که پوشش های نانولوله ای کربنی کمپانی باتل برای انتقال حرارت به زیرلایه ای که آن را پوشش داده بهینه سازی شده است اما دارای کاربردهای بالقوه دیگری هم هست. این فناوری برای تمامی منسوجات پاسخ دهنده یا فناوری های پوشیدنی که نیازمند سنسورهای یکپارچه هستند، قابل استفاده می باشد.

از سنسورها برای مثال می توان در تشخیص و تعیین سطح رطوبت یا سایر اندازه گیری ها نظیر رطوبت، وزن، آرایش و شکل گیری، نور و آمارهای مهم و حیاتی استفاده کرد. اطلاعات ضبط شده را می توان با استفاده از پوشش رسانا مورد بهره برداری قرار داد. 

بنابراین فناوری فوق مجموعه کاملی از کاربردهای بالقوه منسوجات اینتلیجنت را در اختیار ما قرار می دهد نظیر:

• لباس های مخصوص بررسی وضعیت سلامت بیماران و گزارش تغییرات به وجود آمده در سلامتی آن ها به اپلیکیشن موبایل شخص بیمار یا پرستار او

• لباس های ورزشی مخصوص بررسی حرکت و کارایی ورزشکار و حذف نیاز به فیتنس ترکر یا همان ره‌یاب تناسب اندام

• لباس هایی که انرژی حرکتی شخص را تبدیل به نیروی لازم برای شارژ وسایل الکترونیکی سیار می کنند

• پوشش های کف و دیوار نظیر فرش هایی که در تاریکی روشن می شوند تا راه خروج اضطراری را نشان دهند یا پوشش دیوارهای حمام یا رختشوی خانه که قابلیت حس کردن تجمع بیش از حد رطوبت را دارند.

پزشکی بیوالکترونیک

چند منظوره بودن برای بسیاری از سیستم های پاسخ دهنده فوق ضروری است. چند منظوره بودن نظیر رسانایی الکتریکی، یونی و یا حرارتی، ذخیره بار یا اتلاف آن، نگهداری رطوبت و غیره را می توان از طریق فرمولاسیون پوشش مورد نظر در منسوجات ایجاد کرد.

یکی از کاربردهای بالقوه این پارچه های چندمنظوره در پزشکی بیوالکترونیک است. فناوری های پوشیدنی راحت و کارآمد کلید توانمند سازی این موج جدید فناوری های پزشکی هوشمند هستند. برای این که بتوان پتانسیل کامل این وسایل را تشخیص داد باید تماس الکتریکی آن ها با شخص مداوم و پایدار باشد. در حال حاضر جدیدترین روش استفاده از یک هیدروژل برای اتصال الکترود به پوست است. البته عملکرد سیستم می تواند با گذشت زمان، تغییر دما، رطوبت و موقعیت و حرکات بیمار تغییر کند.

می توان با ترکیب پوشش نانولوله ای کربنی کمپانی باتل با یک ماده رسانای یونی، رسانایی هم زمان الکتریکی و یونی را در منسوج ایجاد کرد که امکان تماس الکتریکی دایمی را با پوست فراهم می کند. رساناهای ترکیبی الکتریکی و یونی شبکه ای از رساناهای الکتریکی و یونی به هم متصل هستند که در یک شبکه الاستومری قرار گرفته اند. این سه بخش چندمنظوره بودن مورد نیاز را برای حفظ تماس الکتریکی بین پوست و وسیله الکتریکی فراهم می کنند.

این سیستم نسبت به سیستم های هیدروژلی موجود دارای چند مزیت است:

• رسانایی عالی با قابلیت تماس موثرتر با پوست

• حفظ رسانایی 

• مصرف نیروی کمتر

• سختی و انعطاف پذیری عالی و خواص مکانیکی خوب.

برای بهینه سازی این پوشش برای استفاده در پارچه ها و فناوری های پوشیدنی به تحقیقات بیشتری نیاز است. کمپانی باتل نیز هم زمان با رشد تقاضا برای پارچه های اسمارت و اینتلیجنت، فناوری جدید خود را ارایه داده است و کاربردهایی را که تا به امروز و با استفاده از فناوری های موجود ممکن نبوده عملی ساخته است.