Materiale Textile Inteligente - Function Ale

U.A.U.I.M. – MATERIALE TEXTILE

Master Tendinte, Materiale si Tehnologii Noi in Arhitectura de Interior si Design

Materiale Textile Inteligente Functionale .

STANESCU LINDA MARY ANN AN I – MASTER T.A.I.

Materiale Textile Inteligente Functionale

2


Viat Viata a coti cotidi dian ana a impu impune ne folo folosi sire rea a tele telefo foan anel elor or celu celula lare re,, a PDAPDA-ur uril ilor or,, a camere camerelor lor digita digitale, le, obiec obiecte te de care care omul omul moder modern n nu se poate poate lipsi. lipsi. Altern Alternati ativa va eleg elegan anta ta si, si, in acel acelas asii timp timp func functi tion onal ala, a, o repr reprez ezin inta ta textilele textilele inteligent inteligente e “imbracamintea care proceseaza”: camasi, sacouri, pulovere, covoare, toate obtinute prin teserea firelor cu grad mare de conductibilitate impreuna cu firele de bumbac, nylon sau poliester. Fibrele metalice fac legatura intre senzori si microcontrolerele inse insera rate te in prod produs usel ele e

de imbr imbrac acam amin inte te,,

iar iar

prog progra ram me

spec specia iall

cont contro role leaz aza a

comunicatiile din reteaua semifabricatului. Acestea pot chiar emite semnale radio si se pot conecta direct la Internet. Semnificatia termenului de “imbracaminte inteligenta” sau de “e-textile”, care este este,,

de fapt fapt,,

o

combi ombina nati tie e

intr intre e

imbr imbra acam caminte intea a

de

ina inalta lta

tehn tehno olog logie si

imbracamintea la moda. Termenul poate include toate obiectele de imbracaminte real realiz izat ate e din din text textil ile e de inal inalta ta tehn tehnol olog ogie ie sau sau imbr imbrac acam amin inte te in care care elem elemen ente te tehnologice de ultima ora au fost incorporate. Prin integrarea electronicii in textile, creste creste numarul numarul functiilor functiilor imbracam imbracamintei intei traditional traditionale, e, creându-se creându-se aplicatii noi. Se poate vorbi despre trei functii de baza : 1. functi functia a de bariera bariera,, de izolat izolatie ie termic termica, a, chiar chiar si atunci atunci când când temper temperatu atura ra exterio exterioara ara tinde tinde spre spre extrem extreme. e. Soluti Solutia a o reprez reprezint inta a mater materiale ialele le de tipul tipul celor celor cu schimbare de faza, cu memorare a formei sau cu retea de capilare. 2. functia de organizator al vietii personale. Buzunarele hainelor sunt folosite la pastrarea obiectelor personale sau a celor specifice unor activitati profesionale. 3. functia de comunicare, indeplinita mai ales de dispozitivele de comunicatie moderna incluse in structura textila, precum si de materialul cu efecte cromatice: costume de baie care isi modifica culoarea in functie de umiditate sau temperatura, imbracamintea de protectie din diferite domenii de activitate, imbracamintea care isi schimba culoarea in functie de sentimente.

Desi introdusa de mai multe decenii, notiunea de “materiale inteligente” a inceput sa fie folosita cu frecventa in anii ´90 pentru a defini materiale care prezinta un comportam comportament ent dinamic, dinamic, modifican modificandu-si du-si proprietati proprietatile le sub actiunea actiunea unui factor factor extern .


3


Atat natura stimulului cat si a raspunsului pentru aceste materiale sunt extrem de diverse. Astfel, factorii externi includ campuri magnetice sau electrice, variatii ale regimului termic, actiuni mecanice, etc. Materialele inteligente pot sa-si modifice starea, gradul de vascozitate, dimensiunile, proprietatile electrice, caracteristici legate de aspect, etc. Materialele inteligente sunt realizate prin introducerea unor substante cu proprietati speciale - polimeri, substante ceramice, aliaje metalice, parafine si saruri – in materiale de diferite naturi – textile, metale sau aliaje, plastic, microprocesoare, ciment sau alte materiale pentru constructii, etc. Pe langa termenul de “materiale inteligente” se mai folosesc si: “materiale active”, “materiale adaptabile”, iar uneori pot fi incluse si in categoria actuatori / senzori. Termenul “inteligent” mai poate fi intalnit asociat la notiunea de sistem sau de structura. Toata aceasta complexitate de materiale, comportament dinamic si aplicatii face incompleta orice clasificare.

Materiale textile inteligente Materialele textile inteligente (MTI) reprezinta urmatoarea generatie de fibre materiale si produse textile si pot fi descrise conform definitiei generale ca “gandind”, adaptandu-si proprietatile conform conditiilor externe. Intre altele, aceste materiale : -

Isi pot schimba culoarea;

-

Pot genera si transfera caldura utilizand curentul electric sau modificarea de stare;

-

Pot fi folosite ca senzori, sensibili la modificarile de temperatura din mediu sau din corpul uman;

-

Pot memora forme si reveni la forma anterioara, in general sub actiunea caldurii.

Textilele inteligente au marele avantaj al flexibilitatii materialelor textile. Ele pot fi croite pe corpul uman precum obiectele de imbracaminte (camasi, rochii), permitând unei persoane sa “poarte” efectiv dispozitivele electronice. Totodata, acestea pot lua forma unor obiecte de intrebuintare casnica sau chiar decorative. Spre deosebire de


4


dispozitivele electronice traditionale, textilele inteligente trebuie sa prezinte un set diferit de proprietati , dintre care amintim: •

consum de energie scazut. Datorita imposibilitatii existentei unor surse

exterioare de energie si a unor acumulatori de masa ridicata, consumul energetic trebuie sa fie foarte scazut. Exista si metode noi de generare a energiei, precum energia cinetica sau termica dar care prin tehnologiile actuale nu permit producerea de curenti mari, deci consumul de energie a imbracamintei inteligente trebuie sa fie cit mai scazut. Gasirea unei arhitecturi care sa minimizeze numarul de noduri de procesare si de comunicatie necesare unui anumit scop va permite realizarea unui astfel de deziderat. •

capacitate de procesare distribuita. Limitarea puterii de procesare a unui nod

singular se datoreaza constrângerilor de tipul costului, al marimii si al energiei consumate. In timp ce procesul de miniaturizare face posibila aplicabilitatea in domeniul textilelor inteligente, tehnici moderne de tipul procesarii paralele vor fi necesare pentru maximizarea puterii de calcul a nodurilor existente. Totodata constrângerea legata de consumul de energie implica gasirea unor solutii optime de procesare si de utilizare optima a puterii de calcul. •

multiple canale de comunicatie. Existenta a mai multor noduri de procesare

implica utilizarea a mai multor canale de comunicatie. Prezenta defectelor implica definirea unei topologii si a unui protocol care sa ia in calcul atât erorile de comunicatie, cât si reconfigurarea retelei pentru a face fata problemelor aparute.

Cele mai importante grupe de materiale textile inteligente sunt: •

Materiale PCM (Phase Change Materials), materiale care isi modifica starea;

•

Materiale SMM (Shape Memory Materials), materiale care memoreaza forma;

•

Materiale conductive, materiale cu proprietati conductive si textile electronice

•

Materiale cromatice, materiale care isi modifica culoarea.

Materiale textile care isi modifica starea (PCM) Materialele capabile sa-si modifice starea sunt substante care absorb sau elibereaza cantitati semnificative de energie pe durata procesului de topire,


5


solidificare sau sublimare. Aceasta caracteristica poate fi utilizata pentru asigurarea unui control dinamic al fluxului termic, materialul functionand ca o interfata termica cu exteriorul. Toate aplicatiile posibile sunt caracterizate de un ciclu termic, nu de un regim termic constant. Datorita costurilor ridicate, materialele PCM sunt folosite in conditii restrictive de spatiu, in care alte tipuri de dispozitive de stocare a energiei termice sunt inutilizabile. Aceste materiale isi gasesc aplicatii din cele mai diverse, cum ar fi telecomunicatii, stocarea de energie termica

/ sisteme de protectie termica,

agricultura, constructii, industria spatiala, etc. Spre deosebire de materialele conventionale, o data atins punctul de topire, materialul PCM absoarbe energie fara a-si modifica temperatura. In procesul de solidificare materialul elibereaza energia stocata. In domeniul termic al confortului uman (200 – 300) PCM sunt extrem de efective, putand stoca o cantitate de 5 pana la 14 ori mai mare decat in cazul materialelor conventionale, precum apa sau rocile. Cum functioneaza PCM in tesatura?

Atunci cand capsula de PCM ajunge la punctul de topire, incepe sa absoarba energie pe tot parcursul perioadei de transformare din stare solida in stare lichida. Aceasta schimbare de stare produce un efect temporar de racire in straturile de tesaturi. Energia de incalzire poate proveni direct din corpul uman sau dintr-un mediu incalzit.

Cele mai importante materiale PCM sunt materialele de tip “solid – lichid”. Indiferent de starea normala a unui astfel de material, ambele procese isi gasesc aplicabilitate, fie pentru incalzirea mediului, fie pentru racire. La trecerea la stare lichida , materialul stocheaza o cantitate mare de energie. Temperatura ramane constanta pe intreaga durata a procesului de topire. Din acest motiv, energia acumulata este numita caldura latenta sau ascunsa. Cele mai potrivite materiale pentru stocarea si reutilizarea caldurii latente sunt sarurile anorganice si amestecurile de saruri, precum si parafinele.

Produsele de imbracaminte realizate din acest tip de materiale trebuie sa asigure o balanta termica intre caldura generata de corpul uman pe durata efortului


6


fizic si caldura eliberata in mediul inconjurator. Aceasta cerinta nu este intotdeauna respectata de imbracamintea conventionala. Deseori, caldura generata de corp pe durata unui efort fizic intens nu este disipata complet in exterior, producand situatii de stress termic. In plus, in perioadele de relaxare intre activitatile fizice, corpul elibereaza mai putina caldura, putand apare hipotermia. Materialele textile PCM sunt caracterizate de autoreglaj termic. Este important de subliniat ca acest efect se obtine respectandu-se cerintele specifice impuse de destinatie. Daca costumul din PCM este purtat intr-un mediu rece unde temperatura este sub punctul de inghet al PCM, iar temperatura tesaturii scade sub temperatura de tranzitie, lichidul de PCM din microcapsule va trece din nou in starea solida anterioara. Astfel genereaza o energie de incalzire si un efect temporar de racire. Dezvoltatorii materialului sustin ca aceasta schimbare de temperatura produce un efect de tamponare in tesatura hainei, minimizand schimbarile in temperatura pielii prelungind comfortul termal al purtatorului. Straturile articolului de imbracaminte ce contin PCM trebuie sa treaca prin schimbarea de temperatura inainte ca PCM sa isi schimbe starea si sa genereze sau sa absoarba caldura. Astfel, purtatorul trebuie sa actioneze pentru a provoca schimbarea de stare a PCM-ului. PCM-ul este un fenomen trecator. Nu are nici un efect in conditii stabile De exemplu este necesar sa se respecte corelatia existenta intre cantitatea de PCM introdusa in material si nivelul de activitate fizica prevazut, respectiv durata de viata considerata pentru articol. Un alt factor de influenta al echilibrului termic general este proiectarea produsului, care trebuie sa favorizeze efectul de autoreglaj termic. Materialele textile PCM asigura o izolare termica activa, controland fluxul de caldura intre straturile de imbracaminte conform nivelului de activitate fizica si a conditiilor climatice existente. In cazul in care caldura emisa de corp depaseste capacitatea de transport caloric a straturilor textile, excesul de caldura este absorbit si stocat de material. Daca insa caldura eliberata prin straturile de imbracaminte este mai mare decat cantitatea emisa, diferenta este compensata de materialul PCM. Dinamismul activitatilor umane, precum si simpla modificare a conditiilor climaterice permite intotdeauna incarcarea microcapsulelor PCM, limitand astfel cantitatile de substante PCM necesare.


7


Intensitatea si durata efectului de izolare termica depinde in principal de capacitatea de stocare calorica a microcapsulelor PCM, de cantitatea acestora in material si de structura materialului textil. De exemplu, materiale textile cu grosime redusa si desime ridicata favorizeaza procesul de racire, in timp ce un material de grosime mai mare si de compactitate mai mica permite temporizarea si prin aceasta eficientizarea procesului de eliberare de caldura. Evaporarea lichida nu este scumpa, insa furnizeaza o racire de scurta durata intr-un mediu umed ce se gaseste in imbracamintea de protectie. Fibrele trebuie reumezite pentru a se putea re-imbraca hainele. Haina pe baza de gel rigid/apa este preferata de catre armata si poate furniza racoare pe o durata mai lunga, atingand chiar 0‘C. Dezavantajele sale sunt insa racoarea simtita si de piele cerand o temperatura inconjuratoare foarte joasa pentru a re-incarca haina. Cand hainele sunt incarcate in totalitate, dezavantajul lor devine si acela ca sunt foarte grele si rigide, nepermitand o respiratie normala – da impresia de sufocare.

Aplicatii ale produselor de imbracaminte PCM

Domeniile posibile pentru utilizarea materilalelor textile PCM sunt practic nelimitate, atat pentru materiale destinate racirii, cat si pentru cele proiectate pentru eliberare de energie termica. Se pot mentiona produse de protectie termica dinamica in domenii industriale – constructii, activitate industriala, pentru pompieri, trupele de politie si cele militare, in activitatile sportive, in medicina, etc.

Articole sportive PCM

Echilibrul termic este esential in toate ramurile sportive, astfel incat materialele PCM sunt ideale pentru aceste aplicatii, precum ciclismul, motociclismul, cursele auto, alpinismul, vanatoarea si pescuitul, atletism, scufundari, etc. Gama de articole PCM include articole de imbracaminte – jachete, pantaloni, sorturi, manusi – pantofi, casti, etc.


8


Exemple de produse PCM pentru activitati sportive – Frisby Technologies.

Articole pentru protectie

Materialele PCM reprezinta o alternativa viabila pentru protectia termica atat la temperaturi ridicate, cat si la temperaturi scazute. Aceste materiale pot fi utilizate introduse in costumele de protectie pentru pompieri, ca o bariera termica impotriva caldurii. Microcapsulele PCM permit mentinerea constanta timp de ore a unei temperaturi de confort, putand fi refolosite sute de ori. Articolele PCM pot fi utilizate si in activitatea militara, in expeditii in conditii climaterice adverse sau in activitatea industriala.

Costum de protectie pentru pompieri – Glazier Tek Co.

. Articole medicale

Produsele textile PCM pot fi folosite in tratamentele medicale, fie in conditii de temperatura scazuta fie pentru izolare termica. Terapia la temperatura constanta este aplicabila pentru sistemele de racire personale sunt folosite cu succes in cazul inflamatiilor rezultate in urma unor leziuni, atat in medicina umana , cat si in medicina veterinara. Aceste produse se dovedesc superioare ghetii, ca performanta si durata. Un alt domeniu potential sunt bolile neurologice, pentru care aceasta


9


terapie poate usura simptomele de durere in cazuri precum scleroza multipla sau displazia ectodermala.

Exemple de sisteme textile PCM pentru tratarea leziunilor – Southeastern Medical

Produsele PCM pentru situatii medicale in care este necesara mentinerea temperaturii la un nivel superior includ bandaje aplicate pentru diferite tipuri de boli, pentru fizioterapie si pentru lauze pentru a favoriza alaptarea, precum si paturile, lenjeria de pat sau alte surse de incalzire utilizate pentru pacienti cu probleme de circulatie, etc.

Materiale PCM utilizate pentru tapisarea interiorului automobilelor

Functie de anotimp si de regimul climateric, automobilele pot fi supuse unor temperaturi excesive, fie ridicate, fie scazute. Autovehiculele moderne sunt echipate cu sisteme de conditionare a mediului (racire sau incalzire), care insa implica un consum suplimentar de energie. In conditiile in care acest consum a crescut, datorita sistemelor de monitorizare si control, constructorii de masini sunt in prezent tentati sa caute solutii alternative de conditionare a interiorului automobilelor. Materialele PCM pot fi utilizate cu succes in diferite aplicatii in interiorul masinilor, pentru a controla ambientul si a regla confortul termic, fara a necesita energie exterioara. Asigurarea confortului termic in interiorul automobilelor prin materiale PCM implica un studiu aprofundat al dinamicii microclimatului in conditiile variatiei temperaturii si a radiatiei solare. Un astfel de studiu determina localizarea optima in interiorul autovehiculelor a materialelor PCM, astfel incat randamentul sa fie maxim. Experienta acumulata a indicat capota si scaunele ca localizari corespunzatoare pentru materialele PCM.


10


Capota

In interiorul masinii, aerul cald, produs in principal prin supraincalzirea geamurilor, se acumuleaza la nivelul superior si incalzeste la randul sau capota. Capitonand capota cu un material PCM, acesta va putea absorbi surplusul de caldura, mentinand temperatura din interior in limitele confortului. Caldura stocata in material poate fi eliminata pe durata deplasarii automobilului sau in timpul noptii. Materialul PCM utilizat este un material compozit.

Sectiunea unui material PCM folosit pentru capote

Materialele PCM avute in vedere pentru capote sunt proiectate sa absoarba caldura generata in intervalul 25º - 45ºC. Substanta PCM este incorporata intr-un material textil subtire, dispus intre stratul inferior de piele si stratul de spuma. Capacitatea de stocare a energiei termice a unui astfel de material cu 1 mm grosime este de aproximativ 100 kJ/m2, suficient pentru a evita incalzirea tapiseriei capotei, chiar si in conditii de caldura extrema.

Scaunele automobilului

Controlul temperaturii si al umiditatii prin tapiseria scaunelor unui autovehicul este esential pentru confortul termo-fiziologic al pasagerilor. Temperatura este reglata prin intermediul izolarii termice oferite de componentele interne ale multistratificatului folosit si prin absorbtia realizata de stratul exterior. Controlul umiditatii se face prin transportul vaporilor de apa prin straturile interioare si prin absorbtia acestora de catre stratul exterior. Aplicat la tapiseria scaunelor, materialul PCM absoarbe rapid si eficient surplus de caldura, permitand cresterea treptata a temperaturii in microclimatul format si reducandu-i umiditatea. Intr-un mediu ambient cu temperaturi scazute, caldura eliberata de microcapsulele PCM minimizeaza pierderile termice ale corpului uman.


11


Partea inferioara este alcatuita din doua straturi de spuma. Stratului de spuma superior se ataseaza un tricot cu fire suplimentare. Stratul exterior este realizat din material tesut.

Sectiunea unui scaun cu sistem de incalzire

Selectarea substantei PCM si a suportului textil depinde de cantitatea de caldura generata de corpul uman, de conditiile mediului din interiorul automobilului si de fluxul termic al materialului. Suportul optim pentru substanta s-a dovedit a fi un strat de spuma de 3-5 mm grosime, pozitionat sub stratul exterior. Concentratia capsulelor de PCM nu depaseste 50%, pentru a nu reduce permeabilitatea la vapori a ansamblului. Principala provocare in dezvoltarea structurii textilelor pe baza de PCM este metoda aplicarii sale. Incapsularea PCM-ului intr-o capsula polimerica este una dintre alegeri, dar prezinta dezavantajul ca ingreuneaza tesatura foarte mult. Materialele ce isi schimba starea pot fi de tip organic sau anorganic (saruri). In tabelul urmator sunt prezentate cateva avantaje si dezavantaje ale celor doua tipuri de PCM. Organice

Avantaje

Dezavantaje

Usor de folosit

Foarte scumpe

Necorozive

Au desitate foarte mica de caldura

Nu se racesc exagerat

O arie mai larga de topire

Reciclabile

Schimbarea volumului in timpul schimbari de stare Pot fi combustibile

Pe baza de

Ieftine

Reactineaza cu betonul Au nevoie de o preparare atenta

saruri

O buna densitate a caldurii

Au nevoie de aditivi pentru stabilizare


12


O conductibilitate mare termica

pentru o perioada mai lunga de folosire

Neinflamabile

Tind sa se supraraceasca

Biodegradabile si reciclabile

Pot fi corozive in contact cu unele metale

Materiale textile care memoreaza forma (Shape Memory Materials)

Acest tip de materiale pot fi definite ca materiale care sub actiunea caldurii pot trece din forma ocupata la un moment dat la o forma anterioara. Incorporarea de materiale SMM in produse de imbracaminte imbunatateste capacitatea de protectie termica la temperaturi extreme. Activarea acestor materiale in articolul textil permite extinderea dimensiunilor zonelor de aer existente intre straturile textile, ceea ce determina cresterea proprietatii de izolare termica. Exista mai multe tipuri de materialele care prezinta potential de memorizare a formei.

TESATURA CE MEMOREAZA FORMA

Aliaje. Astfel de aliaje, precum nichel-titanium Ni-Ti prezinta o modificare in proprietati la temperaturi sub si deasupra valorii de activare. Sub nivelul de activare, aliajul este usor deformabil. Odata atinsa aceasta temperatura, aliajul adopta o


13


forma anterioara si devine mult mai rigid. Pragul de activare poate fi modificat prin proportiile de nichel si titanium din aliaj. Alt tip de aliaj inclus in grupul materialelor care memorizeaza forma este aliajul cupru-zinc Cu-Zi. Acest aliaj poate fi activat in doua moduri, fiind capabil sa produca modificarile reversibile necesare pentru protectie termica in conditii climaterice in schimbare. Totodata reactioneaza la variatiile de temperatura corporala. Aliajele care memorizeaza forma se utilizeaza in forma de arcuri lamelare, care la temperatura inferioara sunt plate, iar la temperaturi superioare nivelului de activare se incovoaie, asigurand izolarea termica necesara. Polimeri. Acesti polimeri - poliuretani termoplastici - au aceeasi comportare ca si aliajele nichel-titanium, cu avantajul unei compatibilitati superioare cu materialul textil. Temperatura de topire inferioara celei a aliajelor limiteaza utilizarea acestor polimeri pentru materiale non-inflamabile. Pentru aplicatii vestimentare, modificarea de forma se constata la temperaturi apropiate de temperatura corpului uman.

TESATURA INAINTE DE MODIFICARE

TESATURA DUPA MODIFICARE

Pelicule poliuretanice. In prezent exista pelicule poliuretanice incorporate in produse de imbracaminte. Cand temperatura stratului exterior a scazut suficient, pelicula poliuretanica se deformeaza tridimensional, marind spatiul liber dintre straturi. Noua forma trebuie sa fie suficient de rigida pentru a rezista la presiunea exercitata de straturile de imbracaminte si la fortele care apar cand purtatorul este in miscare. Pelicule bimateriale laminate. Aceste pelicule se bazeaza pe diferentele existente intre valorile coeficientului de expansiune termica pentru a crea un efect reversibil de incovoiere. Acest fenomen poate fi folosit pentru a determina separarea straturilor textile si cresterea izolarii termice. Modificarea dimensionala trebuie sa fie


14


de minim 3%, principala problema care poate sa se produca in momentul expansiunii fiind riscul delaminarii. Materialele din pelicula absorb lichide la o rata diferita, ceea ce face ca aceasta sa se incovoaie.

Aplicatii ale aliajelor care memoreaza forma includ produse casnice - precum valve pentru dusuri, filtre pentru cafea, etc.; domenii utilitare – valve de siguranta anti incendiu pentru conducte de alimentare sau pentru sistemele de conditionare a aerului ; domeniul produselor si sistemelor miniaturizate, etc.

Exemplu de aplicatie in domeniul textil: DiAPLEX

DiAPLEX este un polimer poliuretanic care memoreaza forma, produs de Mitsubishi Heavy Industries si folosit pentru produse de imbracaminte inteligente. Materialul poate fi introdus in diferite materiale textile, care este utilizat in produse de imbracaminte pentru activitati sportive si pentru sezonul rece. Pe langa sensibilitatea dimensionala, materialul este caracterizat de o gama de proprietati diverse: impermeabilitate la apa, permeabilitate la vapori si la aer si anticondensare.

Reprezentarea structurala a planurilor gemene a tesaturii de DIAPLEX

Acest polimer este proiectat sa fie activat la o temperatura de tranzitie, adaptand corpul uman la modificarile termice produse atat in interior, cat si la exteriorul produsului. La atingerea temperaturii de tranzitie, datorata fie unei activitati


15


fizice intense, fie

modificarilor din

mediul exterior,

materialul isi

mareste

impermeabilitatea la apa si permeabilitatea la vapori.

Materiale textile conductive – textile electronice Materialele textile conductive combina cel mai avansat proces de finisare cu utilizarea unor materii prime caracterizate de un inalt continut metalic si proprietati electrice. Ele permit trecerea prin material a curentului electric, ceea ce face din suprafata textila o alta modalitate de conexiune, o interfata alternativa. O alta definitie a textilelor electronice le caracterizeaza ca acele materiale sau produse textile care contin incorporate dispozitive electronice portatile. Indiferent de compania producatoare, acest tip de materiale au aceleasi caracteristici: •

masa redusa,

•

flexibilitate extrema, pot fi supuse fara nici o problema solicitarilor mecanice care apar in timpul procesului de productie, noncorozivitate,

•

durabilitate,

•

costuri de productie scazute,

•

inlocuirea suporturilor rigide cu interfete flexibile si usor de manevrat,

•

eliminarea cablurilor, intrerupatoarelor sau altor parti metalice,

•

completa mobilitate pentru utilizator, utilizarea fiind extrem de simpla. Materialele textile conductive par a fi solutia perfecta pentru inlocuirea

calculatoarelor si dispozitivelor electronice clasice cu variante flexibile, introduse in imbracamintea cotidiana.


16


MATERIALE CONDUCTIVE

Exista numeroase variante de materiale textile conductive, functie de tipul si nivelul raspunsului dorit. In prezent, cele mai frecvente sunt materialele pentru pozitionare X-Y si materialele sensibile la presiune.

Fire, fibre si materiale conductive

Cum bumbacul, poliesterul sau nylon-ul nu sunt conducatoare de electricitate si deci nu pot realiza functiile de mediu de comunicatie si de alimentare cu energie necesare imbracamintei inteligente, se prefera combinarea lor cu fire metalice, cum ar fi cele de cupru. In aceasta directie, cercetatorii utilizeaza fire de matase infasurate cu o folie de cupru.

TESEREA PE RAZBOI A UNUI MATERIAL DIN FIRE CONDUCTIVE


17


Aceasta

constructie este ideala pentru imbracamintea computerizata,

deoarece firele astfel realizate prezinta conductibilitate ridicata. Firul de urzeala este obtinut prin cablarea a doua fire simple, torsionate in sens invers sensului de torsiune a firelor si infasurate cu o banda subtire de cupru. Aceasta banda confera ansamblului o conductibilitate sporita si flexibilitate, iar realizarea practica este asemanatoare cablului telefonic . Deoarece constructia astfel realizata este rezistenta, firul poarte fi folosit la operatiile de coasere sau de brodare cu ajutorul masinilor industriale.

MATERIAL DIN FIRE CONDUCTIVE PE BAZA DE LANA

Croirea reperelor trebuie sa tina cont de dispunerea circuitelor integrate pe material. Dispozitivele simple, ca: rezistorii, condensatoarele sau bobinele, sunt cusute direct pe tesatura. Alte componente, cum ar fi ledurile, cristalele sau componentele cu montare pe suprafata (SMD), sunt cositorite direct pe tesatura. Dispozitive, cum sunt circuitele integrate, pot utiliza socluri cu montare mecanica pe tesatura, pentru a putea fi inlaturate in procesul de curatare. Circuitele textile includ elemente cusute sau introduse in material care functioneaza ca senzori, electrozi, sau unitati discrete (exemplu rezistori). Exista materii prime textile care prezinta proprietati electrice specifice, mentinute si pe durata procesului de productie, utilizabile pentru astfel de aplicatii.

Fire metalice de organza

Aceste fire sunt obtinute prin infasurarea unui fir de aur extrem de fin si cu o conductivitate inalta (~0.1 /cm), in jurul unui fir de matase. Materialele tesute cu firele metalice de organza sunt cunoscute de cel putin doua secole, fiind originare din India. Firele metalice sunt dispuse numai ca fire de batatura, limitand astfel


18


anizotropia conductiva a materialului. Componenta de matase a firului rasucit este rezistenta la solicitari mecanice si la temperaturi ridicate.

Material tesut cu fire metalice de organza

Fire metalice

Firele din otel inoxidabil au fost initial utilizate pentru filtrarea granulelor fine. Otelul inoxidabil prezinta un avantaj: nu este sensibil la actiunea apei, deci poate spalat si suporta transpiratia. Compozitia acestui tip de fire variaza de la 100% otel la compozite cu fire poliesterice. Proportia amestecului determina valoarea rezistivitatii firului. Conductivitatea este limitata de valoarea specifica otelului, procesul de productie textil si dimensiunea transversala a fibrelor metalice. Materialele textile conductive pot fi folosite in aplicatii tehnice pentru produse industriale - ca interfata electromagnetica: pentru izolare si pentru conducere a campurilor electromagnetice ; pentru produse de imbracaminte –asa numita imbracaminte electronica - sau textile decorative; pentru articole medicale de tratament sau de monitorizare; pentru activitatea militara, etc. Intre aplicatiile posibile se numara produsele de imbracaminte incalzite pentru conditii termice extreme pe durata sezonului rece sau costumele pentru scufundatori in ape foarte reci.

Exemple de aplicatii ale textilelor electronice


19


Tastatura textila

Tastatura textila este realizata din doua straturi din tesatura cu organza metalica, cu zone orizontale non-conductive, separate de o retea de nylon (tulle). La aplicarea unei presiuni in zone prestabilite, cele doua straturi conductive realizeaza contact in interiorul celulelor din retea. Contactul permite trecerea curentului electric de la o sursa la firele metalice de organza. Tastatura este extrem de flexibila, putand fi indoita, spalata, presata fara a-i afecta performanta.

Tastatura textila.

Jacheta muzicala

Jacheta muzicala Levi

“Jacheta muzicala”, asa cum a fost denumita comercial de catre firma Levi , foloseste tesatura de fire din amestec de otel inoxidabil si poliester. Functiile de comanda sunt controlate printr-o tastatura capacitiva realizata prin brodare cu fire conductive. Aceasta face legatura cu un sintetizator MIDI ce poate reda compozitii


20


muzicale. Sursa de energie poate fi una solara, eoliana sau mecanica in functie de activitatea purtatorului.

Jacheta muzicala

Interfata pentru calculatoare si jocuri

Astfel de materiale pot fi folosite ca tastaturi pentru telefoanele celulare sau ca mouse tactil pentru calculatoare. Jocurile comandate in aceasta maniera inlocuiesc manetele si consolele de control cu elemente de comanda introduse in produsele de imbracaminte, facilitand mobilitatea utilizatorului.

Uniformele militare

In cadrul armatei Statelor Unite al Americii, se desfasoara un program numit “Objective Force Warrior”. Acest program analizeaza comportarea soldatilor ce au in dotare computere ce controleaza miscarea acestora pe câmpul de lupta, comunicatiile desfasurate, precum si alte functiuni de monitorizare. Faptul ca soldatii trebuie sa poarte o masa mare datorita diversitatii aparatelor din dotare i-a determinat pe acestia sa opteze pentru imbracamintea inteligenta. Proiectata de Georgia Institute of Technology, Altanta, uniforma militara monitorizeaza semnalele vitale, transmitând in timp real informatii legate de pozitia si starea soldatului pe câmpul de lupta.


21


Prototipul uniformei militare “inteligente” (dupa SensaTex Inc.)

Conceptul de “wearable motherboard” a fost introdus in 1996 de catre U.S. Navy fiind folosit pentru detectarea ranilor prin impuscare la soldatii in misiune prin transmiterea unui semnal luminos de la un capat la celalalt al fibrei optice. Daca lumina nu ajunge in celalalt capat al fibrei, inseamna ca imbracamintea a fost deteriorata si deci soldatul a fost impuscat. Uniforma este tesuta dintr-un amestec de bumbac, poliester si fibre optice, care atunci când este deteriorata, indica exact locul in care a trecut glontul. De asemenea, aceasta monitorizeaza semnele vitale ale purtatorului si face legatura directa cu comandantul batalionului. Uniforma pompierilor, dotata cu senzori de gaze si de temperatura poate fi o alta aplicatie a textilelor inteligente

Bandaje inteligente

Bandajele inteligente sunt utilizate pentru monitorizarea starii unui pacient, stocarea si transmiterea datelor acumulate. Aceste bandaje pot fi aplicate in cazul unor leziuni si postoperatoriu pentru a semnala modificari ale starii generale. O alta directie o reprezinta tratamentele pentru diferite boli – deficiente oculare de tipul amiliopiei, diabet sau monitorizarea noilor nascuti. In afara bandajelor inteligente, aplicatiile medicale de monitorizare mai includ:


22

Master Tendinte, Materiale si Tehnologii Noi in Arhitectura de Interior si Design •

ciorapi “inteligenti”, folositi pentru detectarea bacteriilor, a zonelor de presiune ridicata si cu dureri in cazul persoanelor cu leziuni de coloana sau a diabeticilor, a ulceratiilor

•

uniforme militare cu fibre optice integrate, care permit evaluarea rapida a leziunilor

•

sutiene inteligente, cu un comportament dinamic pe durata activitatii fizice, facilitand sau restrictionand miscarile sanilor

•

imbracaminte sportiva, pentru monitorizarea si restrictionarea regimului de activitate

Imbracamintea nou-nascutilor este un alt exemplu de utilizare al textilelor inteligente. Acestea detecteaza momentul in care copilul nu mai respira sau necesita ingrijire si transmite alarma parintilor. Prin monitorizarea functiilor inimii, cele respiratorii, precum si a temperaturii corpului, se poate preveni sindromul mortii subite.

Materiale cromatice

Material textil cromatic


23


Materialele textile cromatice sunt caracterizate de posibilitatea de a-si schimba culoarea conform conditiilor externe, fiind cunoscute si ca materiale cameleon. In aceasta categorie sunt incluse materiale care radiaza, anuleaza sau modifica culoarea. Considerand natura stimulului exterior, materialele cromatice se impart in: •

Materiale fotocromatice – stimulul este lumina;

•

Materiale termocromatice – stimulul este energia termica (caldura);

•

Materiale electrocromatice – stimulul este electricitatea;

•

Materiale piezocromatice – stimulul este presiunea;

•

Materiale solvatocromatice – stimulul este prezenta unui solvent lichid;

•

Materiale carsolcromatice – stimulul este un flux de electroni.

Materialele fotocromatice sunt caracterizate de fenomenul de fotocromism – modificarea culorii sub actiunea luminii. Fotocromismul isi gaseste aplicabilitatea in domeniul sistemelor de imagini, fiind mai putin utilizat in aplicatii textile. Exista doua grupe de fibre fotocromatice: fibre care emit culoare sub actiunea luminii din domeniul vizibil si fibrele pentru care factorul activant sunt radiatiile ultraviolete. Cele mai cunoscute sunt fibrele fotocromatice sensibile la radiatii ultraviolete, datorita intensitatii culorii emise, a densitatii ridicate si a gamei largi de aplicatii posibile.

Materialele termocromatice isi modifica culoarea sub actiunea caldurii, in special prin aplicarea unor coloranti termocromici, care au diferite niveluri de temperatura de activare. Pana in prezent se utilizeaza cu succes doua tipuri de sisteme termocromatice: sisteme cu cristale lichide si sisteme cu reordonare moleculara. In ambele cazuri, colorantii sunt introdusi in microcapsule si sunt aplicati intr-un strat de rasina materialului textil, similar unui pigment. Restul materialelor cromatice sunt mai mult materiale “in moda”, fiind de asteptat ca acestea sa dispara dupa un timp. Principala problema ar fi lipsa lor de rezistenta la lumina, cat si lipsa preciziei in variatia coloristica. Astfel de materiale pot fi utilizate in industria de moda sau in domeniul tehnic. Aplicatiile tehnice se refera la imbracamintea de protectie: pentru muncitori in conditii de vizibilitate redusa; pentru pompieri, pentru a ajuta la localizare; pentru persoane


24


aflate intr-un mediu cu luminozitate extrem de puternica; sageti pe covoare in cladiri cu destinatie sociala pentru a semnaliza traseele de iesire in cazul in care are loc o pana de curent.

Potentialul creat de imbinarea celor doua domenii de utilitate cum sunt tehnologia textilelor si cea a informatiei, confera noi valente atât imbracamintii de zi cu zi, cât si celei profesionale. Având aplicatii concrete in toate domeniile de activitate, textilele inteligente reprezinta implementarea tehnologiei de mâine in imbracamintea de azi. Toate acestea ne permit in concluzie, sa afirmam ca: •

imbracamintea

constituie interfata

ideala dintre oameni

si mediul

inconjurator, cât si un foarte bun suport pentru integrarea dispozitivelor moderne. • integrarea tehnologiei in produsele vestimentare poate insemna inceputul unei noi ere pentru industria textila. Aceasta noua generatie de haine inteligente necesita inovatie din partea industriei confectiilor si ofera totodata un imens potential pentru noi domenii de afaceri si de cercetare.

BIBLIOGRAFIE -

-

Raluca Brad, “Imbracaminte inteligenta”, Revista Romana de Textile-Pielarie, nr.2/2001, Facultatea de Textile Pielarie Iasi D. Marculescu, R. Marculescu and Pradeep K. Khosla, "Challenges and Opportunities in Electronic Textile Modeling and Optimization", in Proc. ACM/IEEE Design Automation Conference (DAC), New Orleans, LA, June 2002 E. R. Post, M. Orth, P. R. Russo, and N. Gershenfeld, “E-broidery: Design and fabrication of textile-based computing”, IBM Systems Journal, Volume 39, Numbers 3 & 4, MIT Media Laboratory, 2000 E. R. Post and M. Orth, “Smart Fabric, or Washable Computing”, First IEEE International Symposium on Wearable Computers, October 1997 D. Marculescu, R. Marculescu, S. Park and S. Jayaraman, “Ready to Ware”, IEEE Spectrum, vol.40, no.10, October 2003 http://www.globalsources.com/MAGAZINE/CP/0209/WEARIA01.HTM

-

http://www.diaplex.com/extremehp.html

-

Materiale Textile Inteligente - Function Ale

Recommend Documents