Ingenieure weben fortschrittliche Stoffe, die den Träger kühlen und wärmen können

11. Oktober 2022

von der Shinshu-Universität

Textilingenieure haben einen Stoff entwickelt, der aus ultrafeinen Nanofäden gewebt ist, die zum Teil aus Phasenwechselmaterialien und anderen fortschrittlichen Substanzen bestehen und zusammen einen Stoff ergeben, der auf wechselnde Temperaturen reagieren kann, um seinen Träger je nach Bedarf zu erwärmen oder abzukühlen .

Materialwissenschaftler haben ein fortschrittliches Textil mit nanoskaligen Fäden entworfen, die in ihrem Kern ein Phasenwechselmaterial enthalten, das große Mengen Wärme speichern und abgeben kann, wenn das Material seine Phase von flüssig in fest wechselt. Durch die Kombination der Fäden mit elektrothermischen und photothermischen Beschichtungen, die den Effekt verstärken, haben sie im Wesentlichen einen Stoff entwickelt, der den Träger sowohl schnell abkühlen als auch wärmen kann, wenn sich die Bedingungen ändern.

Am 10. August erschien in ACS Nano ein Artikel, der die Herstellungstechnik beschreibt.

Viele Berufe, vom Feuerwehrmann bis zum Landarbeiter, sind mit rauen, heißen oder kalten Umgebungen verbunden. Kühllager, Eisbahnen, Stahlschmieden, Bäckereien und viele andere Baustellen erfordern von den Arbeitern häufige Wechsel zwischen unterschiedlichen und manchmal extremen Temperaturen. Solche regelmäßigen Temperaturschwankungen sind nicht nur unangenehm, sondern können auch Krankheiten oder sogar Verletzungen verursachen und erfordern einen mühsamen, ständigen Wechsel der Kleidung. Ein Pullover hält den Arbeiter in einem Kühlraum warm, kann ihn aber überhitzen, wenn er den Raum verlässt.

Eine Möglichkeit, den Hitze- oder Kältestress dieser Arbeitnehmer oder aller anderen, vom Sportler bis zum Reisenden, die unter solchen Beschwerden leiden, zu lindern, ist die neue Technologie persönlicher Thermomanagement-Textilien. Diese Stoffe können die Temperatur bestimmter Bereiche rund um den Körper direkt regulieren.

Solche Stoffe nutzen häufig Phasenwechselmaterialien (PCMs), die große Wärmemengen speichern und später wieder abgeben können, wenn das Material seine Phase (oder seinen Aggregatzustand, zum Beispiel von fest zu flüssig) ändert.

Ein solches Material ist Paraffin, das grundsätzlich auf unterschiedliche Weise in ein textiles Material eingearbeitet werden kann. Wenn die Umgebungstemperatur des Paraffins seinen Schmelzpunkt erreicht, ändert sich sein Aggregatzustand von fest zu flüssig, was mit einer Wärmeaufnahme einhergeht. Dann wird Wärme freigesetzt, wenn die Temperatur den Gefrierpunkt des Paraffins erreicht.

Leider hat die von Natur aus feste Steifheit von PCMs in fester Form und das Auslaufen in flüssiger Form ihre Anwendung im Bereich der thermischen Regulierung von tragbaren Geräten bislang verhindert. Um die „Verpackungseffizienz“ zu verbessern und die Probleme mit der Steifigkeit und Leckage zu überwinden, wurden verschiedene Strategien ausprobiert, darunter auch die Mikroverkapselung (bei der PCM wie Paraffin in extrem kleine Kapseln eingehüllt wird).

„Das Problem besteht darin, dass die Herstellungsmethoden für Phasenwechsel-Mikrokapseln komplex und sehr kostspielig sind“, sagte Hideaki Morikawa, korrespondierender Autor des Papiers und fortgeschrittener Textilingenieur am Institut für Fasertechnik der Shinshu-Universität. „Schlimmer noch: Diese Option bietet nicht genügend Flexibilität für jede realistisch tragbare Anwendung.“

Deshalb wandten sich die Forscher einer Option namens koaxialem Elektrospinnen zu. Elektrospinnen ist eine Methode zur Herstellung extrem feiner Fasern mit Durchmessern in der Größenordnung von Nanometern. Wenn eine Polymerlösung in einem Vorratsbehälter, typischerweise einer Spritze mit Nadelspitze, an eine Hochspannungsquelle angeschlossen wird, sammelt sich elektrische Ladung auf der Oberfläche der Flüssigkeit an.

Bald wird ein Punkt erreicht, an dem die elektrostatische Abstoßung durch die angesammelte Ladung größer ist als die Oberflächenspannung und dies zu einem extrem feinen Flüssigkeitsstrahl führt. Während der Flüssigkeitsstrahl im Flug trocknet, wird er durch dieselbe elektrostatische Abstoßung, die den Strahl erzeugt hat, weiter verlängert, und die resultierenden ultrafeinen Fasern werden dann auf einer Trommel gesammelt.

Beim koaxialen Elektrospinnen handelt es sich weitgehend um das Gleiche, es werden jedoch zwei oder mehr Polymerlösungen aus benachbarten Spinndüsen zugeführt, wodurch beschichtete oder hohle Nanofasern hergestellt werden können. Diese Kern-Mantel-Fasern haben eine ähnliche Struktur wie das Koaxialkabel, das man für die Stereoanlage verwenden könnte, sind aber viel, viel kleiner.

In diesem Fall kapselten die Forscher das PCM in der Mitte der elektrogesponnenen Nanofaser ein, um das Problem der PCM-Leckage zu lösen. Darüber hinaus ermöglichen die ultrafeinen Fasern eine äußerst günstige, für menschliche Kleidung geeignete Flexibilität.

Um den Einsatzbereich des Textils in Arbeitsumgebungen und die Präzision der Wärmeregulierung weiter zu erweitern, koppelten die Forscher das PCM-Material mit zwei anderen persönlichen Wärmeregulierungstechnologien.

Die Kombination photoresponsiver Materialien – also solcher, die auf das Vorhandensein von Sonnenenergie reagieren – mit PCMs bietet möglicherweise die Möglichkeit, die Energiespeicherfähigkeit des Textils noch weiter zu steigern. Darüber hinaus kann die Beschichtung des Verbundmaterials mit Polymeren, die Elektrizität in Wärme umwandeln (eine elektrothermische leitfähige Beschichtung), eine ähnliche Ausdehnung der Energiespeicherung ausgleichen, wenn sich der Arbeiter in bewölkten, regnerischen oder geschlossenen Räumen befindet.

Die Forscher kombinierten die drei Optionen – PCMs, Kohlenstoffnanoröhren und Polydopamin-Solarabsorber sowie elektrisch leitende Polymere aus Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Polystyrolsulfonat (bekannt als „PEDOT:PSS“) – in einem einzigen „Trimode“-Thermoregulator und tragbares Textil.

Diese Mehrkern- und Schalenstruktur ermöglicht eine synergistische Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Komponenten und sorgt für eine bedarfsgerechte Wärmeregulierung, die sich an eine Vielzahl von Umgebungstemperaturänderungen anpassen kann.

Die Forscher wollen nun die Phasenübergangseigenschaften des Stoffes noch weiter verbessern und praktische, tragbare Anwendungen für ihr Material entwickeln.

Mehr Informationen: Jiajia Wu et al., Eine dreimodige thermoregulatorische flexible Fasermembran mit hierarchischer Kern-Mantel-Faserstruktur für tragbares persönliches Wärmemanagement, ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.2c04971

Zeitschrifteninformationen:ACS Nano

Zur Verfügung gestellt von der Shinshu-Universität