E-tkaniny w budownictwie

 

Innowacyjność w gospodarce, w budownictwie, ogólnie, w przemyśle, jest obecnie w modzie. To bardzo dobra moda! Wprowadzanie nowych technologii dotowane jest przez przeróżne instytucje rządowe, a także finansowane z pieniędzy pochodzących z Unii Europejskiej. Innowacje opierają się na wynikach naukowych eksperymentów, które sugerują możliwość wykorzystania nowych materiałów i zjawisk dla opracowania nowych technologii produkcji nowoczesnych wyrobów, a także w celu polepszenia jakości produktu lub obniżenia kosztów jego wytwarzania (przy zachowaniu tych samych parametrów technicznych). W nauce – w trakcie prac badawczych – teoretycznie możliwe jest wszystko! Wraz z postępem prac badawczych następuje weryfikacja wyników naukowych, gdyż tylko pozytywne wyniki badań mogą zostać „skonsumowane” przez innowacyjną gospodarkę. W efekcie powstają nowe, prototypowe rozwiązania i technologie, które czekają na odpowiedni moment, by zostać wykorzystane w produkcji przemysłowej. Jedną z czekających „w poczekalni” innowacji naukowych jest technologia określana jako e-tkaniny, czyli elektroniczne tkaniny. E-tkaniny (ang. E-textiles) to nic innego, jak zwykłe tkaniny (np. bawełna, wełna, Lycra itp.) standardowo stosowane w przemyśle tekstylnym i odzieżowym, które dzięki odpowiedniej modyfikacji powierzchni doskonale przewodzą prąd elektryczny. Czynnikami modyfikującymi powierzchnię włókien tworzących e-tkaniny mogą być przeróżne przewodzące prąd elektryczny nanomateriały (np. nanorurki węglowe) lub też półprzewodzące polimery (np. polianilina czy polipirol). Bywa, że powierzchnia włókien wchodzących w skład e-tkanin jest modyfikowana metalem, np. w postaci bardzo cienkiej warstwy złota lub srebra. Na powierzchni elektronicznych tkanin można tworzyć – niczym na plastikowym układzie scalonym – ścieżki przewodzące, świecące diody, anteny (całe systemy nadawcze), elektroniczne systemy różnego typu detektorów, które rejestrować mogą zmiany fizykochemiczne otaczającego e-tkaninę środowiska. Sensory mogą być zintegrowane z tkaniną w taki sposób, iż praktycznie nie wyczuwa się ich istnienia – układy te zbudowane są zgodnie z najnowszymi trendami w nauce, często z nano lub mikrowłókien oraz innych układów określanych ogólnie jako nanoelektronika.

Kaloryfer w zasłonie okiennej
Przykładem praktycznego zastosowania doskonałych właściwości elektrycznych e-tkanin mogą być grzejniki zbudowane z elastycznego materiału, modyfikowanego półprzewodnikowymi polimerami. Prace nad „materiałowymi grzejnikami” prowadzone były przez australijsko-szwedzką grupę badawczą. Naukowcy użyli syntetycznej, elastycznej tkaniny utworzonej z włókien poliestrowych z domieszką Lycra®. Ponieważ poliestrowe włókna, także te z dodatkiem Lycra®, nie przewodzą prądu elektrycznego, tkaninę impregnowano polipirolem, który w celu zwiększenia przewodnictwa elektrycznego modyfikowano różnymi dodatkami chemicznymi takimi jak: AQSA (ang. anthraquinone-2-sulfonic acid sodium salt monohydrate), NSA (ang. naphthalene-2-sulfonic acid sodium salt), pTSA (ang. ptoluenesulfonic acid monohydrate) oraz nadchloran sodu (NaClO4) w postaci monohydratu. Polipirol (PPy) to organiczny związek chemiczny z grupy polimerów przewodzących prąd elektryczny, zawierający heterocykliczny układ pirolu. Substancja ta w drugiej połowie poprzedniego wieku badana była intensywnie w różnych instytutach naukowych. W roku 2000, za badania w dziedzinie polimerów przewodzących – przede wszystkim poliacetylenu, ale i polipirolu – Nagrodą Nobla uhonorowano trójkę światowej sławy naukowców: nieżyjącego już profesora Alana MacDiarmida, a także profesorów Alana Heegera oraz Hideki Shirakawa. Nadanie elastycznej tkaninie utworzonej z poliestrowych włókien właściwości elektrycznych zbliżonych do półprzewodników organicznych wymagało impregnacji tkaniny w stanie lekko rozciągniętym (fragment rozciągnięto o około 20 procent wyjściowej wielkości) w roztworze wodnym pirolu (monomer ulegający polimeryzacji do polipirolu), substancji zwiększającej skuteczność penetracji wodnych roztworów w głąb struktury poliestrowego splotu włókien oraz środka modyfikującego właściwości elektryczne utworzonego polipirolu. Tkaninę nasączano mieszaniną przez 2 minuty, po czym do reaktora dodano chemiczny czynnik utleniający, dzięki któremu na skutek reakcji polimeryzacji pirolu, poliestrowe włókna oklejone zostały polipirolem – półprzewodnikiem organicznym. Co ważne, z punktu widzenia przyszłego procesu technologicznego, reakcja zachodzi w temperaturze około 25 stopni Celsjusza, potocznie określanej, jako temperatura pokojowa i normalnym ciśnieniu. Po etapie polimeryzacji, impregnowana PPy tkanina została obmyta w wodzie, dzięki czemu usunięto z jej powierzchni chemikalia i niezwiązane z włóknami cząsteczki polimeru. Następnie, niemal gotowa e-tkanina została przez 40 sekund dokładnie wywirowana z prędkością 1450 obrotów na minutę, co mechanicznie usunęło z jej struktury cząsteczki wody. Ostatecznie materiał został wysuszony w standardowej suszarce – przez pół godziny, w temperaturze 105 stopni Celsjusza. Tak przygotowany materiał pocięto na fragmenty o wielkości 30 x 60 mm, dołączając na obu końcach po dwie elektrody miedziane, które dociśnięto do e-tkaniny z siłą 10 N, aby utworzyły dobre połączenie elektryczne z przewodzącymi włóknami. Całość poddano analizom fizykochemicznym. Poprzez układ elektrod połączonych za pomocą kawałka e-tkaniny naukowcy przepuszczali prąd elektryczny o napięciu 12, 18 i 24 V czyli takim, jakim dysponują standardowo oferowane dziś akumulatory. W trakcie tego eksperymentu zmiany termiczne elektronicznej tkaniny rejestrowano za pomocą kamery termowizyjnej, która wykonywała pojedyncze zdjęcie co pół godziny, przez 72 godziny eksperymentu. Jednocześnie mierzono natężenie prądu, jaki przepływał przez e-tkaninę. Okazało się, iż impregnowany polipirolem poliestrowy (z dodatkiem Lycra®) elastyczny materiał doskonale przewodził prąd elektryczny, a w zależności od modyfikatora użytego do zwiększenia przewodnictwa polipirolu, opór elektryczny tkaniny wynosił od 200 do 4000 Ohmów. Eksperymentalnie ustalono, iż im mniejszy rejestrowano opór e-tkaniny, tym wydajniejszy powstawał materiałowy grzejnik. Spośród wykonanych próbek ta, w której polipirol modyfikowano AQSA najlepiej przekształcała energię elektryczną w energię cieplną. Materiałowy grzejnik po włączeniu zasilania już po kilku minutach osiągał maksymalną temperaturę wynoszącą nawet 45 stopni Celsjusza. Co ważne, wzrost temperatury o pierwsze 10 stopni Celsjusza (z 22 do 32) następował w kilkanaście sekund! Podczas grzania, przez e-tkaninę przepływał prąd o natężeniu około 65 mA (dla materiału impregnowanego polipirolem z AQSA) lub zaledwie 14 mA w przypadku materiałowego grzejnika wykonanego z polipirolu modyfikowanego NaClO4. Różnica w poborze prądu wynika z faktu, iż wersja grzejnika z PPy-NaClO4 jedynie nieznacznie podgrzewa otoczenie (zarejestrowano wzrost temperatury otoczenia o zaledwie 3 stopnie Celsjusza). Niezależnie od końcowej maksymalnej temperatury, jaką osiąga każdy z wytworzonych materiałowych grzejników ich gęstość mocy (pomijając wersję PPy-NaClO4) jest porównywalna lub większa od grzejników standardowo stosowanych od lat w instalacjach centralnego ogrzewania (150 W/m2) i wynosi odpowiednio: 430 W/m2 dla PPy-AQSA, 200 W/m2 dla Ppy-NSA oraz 150 W/m2 dla Ppy-pTSA. Jedynie dla dla Ppy-NaClO4 zarejestrowano zaledwie 55 W/m2.

Firanka jako klimatyzator
E-tkaniny impregnowane polipirolem można wykorzystać w zupełnie inny sposób – nie jako grzejnik, a materiałowy element klimatyzujący, który napędzany energią elektryczną chłodzi otoczenie!Wstępne badania, mające na celu empiryczne sprawdzenie teorii, iż jest to możliwe, wykonali naukowcy z Deakin University (Australia). W analizach wykorzystano tkaninę, którą impregnowano polipirolem w dwojaki sposób: czystą tkaninę zanurzano na 4 godziny w pirolu (monomerze ulegającym przekształceniu do polipirolu) oraz utleniaczu – chlorku żelaza – w reaktorze z obniżoną do 4 stopni Celsjusza temperaturą, po czym zaimpregnowaną tkaninę przemywano wodą oraz dokładnie suszono w temperaturze 80°C, przez 6 godzin. Druga metoda polegała na wstępnym nasączeniu bazowej tkaniny utleniaczem, a następnie zanurzeniu jej do pirolu, który ulegał polimeryzacji na powierzchni włókien tworzących splot e-tkaniny. Tak przygotowane przewodzące prąd elektryczny materiały osadzono pomiędzy dwoma płytkami metalowymi, przez które przepuszczono prąd elektryczny, w celu obserwacji efektu Peltiera. Dzięki przepływowi nośników ładunku z metalu do polimeru impregnującego włókna tkaniny, następuje absorpcja ciepła z otoczenia, która jest proporcjonalna do różnicy potencjału, jaki powstaje pomiędzy metalem, a włóknami z polipirolem. Według naukowców, choć obserwowany efekt termoelektryczny jest niewielki, to jednak potwierdza on doświadczalnie, teoretyczną możliwość użycia elektrycznych tkanin, jako urządzeń obniżających temperaturę otoczenia – popularnie nazywanych klimatyzatorami. Autorzy badań nie mają wątpliwości, iż opracowany laboratoryjny układ jest daleki od tego, jaki mógłby być rozpatrywany, jako prototyp urządzenia klimatyzacyjnego (!), nie mniej, zamierzają kontynuować badania w celu optymalizacji parametrów e-tkanin tak, by z coraz większą wydajnością „klimatyzowały” otoczenie.

Inteligentne kombinezony
Prace nad rozwojem e-tkanin prowadzone są również w celu stworzenia interaktywnych, tzw. inteligentnych materiałów, z których możliwe będzie tworzenie supernowoczesnej odzieży roboczej dla np. osób pracujących w przemyśle budowlanym w szczególnie niebezpiecznych warunkach (w tym również służb ratowniczych). Tego typu prototypowa odzież skonstruowana została między innymi w ramach międzynarodowego projektu Proetex, w taki sposób, by niemal każdy element został w jak najlepszy sposób zintegrowany z materiałem, z którego uszyto odzież. W skład prototypowego skafandra strażaka wchodzi układ GPS, materiałowa antena, moduł Bluetooth zintegrowany z baterią, dodatkowa elastyczna bateria przypominająca kartkę papieru, zasilająca pozostałe systemy elektryczne, system alarmowy świetlny oraz dźwiękowy, sensor temperatury otoczenia, akcelerometr, moduł komputerowy oraz łączące całość okablowanie. Kable mogą być tworzone ze złotych nitek, choć ta metoda ma poważną wadę – jest bardzo droga! Dlatego też naukowcy pracują nad innymi technikami produkcji cienkich, przewodzących prąd elektryczny włókien, nadających się bez problemu do wplecenia w splot tkaniny. Jednym z pomysłów jest użycie zwykłych poliestrowych włókien, jakie standardowo stosuje się podczas przędzenia nowoczesnych, syntetycznych tkanin. Opracowana przez naukowców z Ghent University (Belgia) metoda zakłada modyfikację takich włókien poprzez naniesienie na powierzchnię przewodzącego prąd elektryczny polipirolu, a w dalszej kolejności osadzenie cienkiej warstwy miedzi, by ostatecznie całość pokryć warstewką złota za pomocą dość tradycyjnej techniki chemicznej EPM (ang. electroless plating method). Tak otrzymane syntetyczne włókno ma grubość około 0,1 mm, a jego powierzchnia jest pokryta w 96 procentach warstwą złota. Tego typu mocne mechanicznie oraz doskonale przewodzące prąd elektryczny włókno może służyć jako materiał do wytwarzania tkanin o wyraźnym błyszczącym złotym kolorze lub jako ultra cienka nitka, kabel elektryczny łączący elementy systemu tworzącego inteligentną odzież XXI wieku. Inną możliwością jest wytworzenie elastycznych kabli bez dodatku metalu, za to z użyciem nanorurek węglowych, w efekcie czego wytworzone zostanie włókno o nietuzinkowych właściwościach mechanicznych oraz przewodnictwie elektrycznym porównywalnym do złota. Takie włókno zsyntetyzowane zostało przez naukowców z Seoul National University (Korea) za pomocą metody elektroprzędzenia (ang. electrospinning), czyli przędzenia włókien polimerowych w silnym polu elektrycznym. Podczas procesu elektroprzędzenia, do polimeru nośnego utworzonego z poliakrylonitrylu ulegającemu uformowaniu w polu elektrycznym w cienkie włókno, dodawany jest roztwór zawierający wielościenne nanorurki węglowe. Wielościenne nanorurki węglowe (MWCNTs – ang. mutliwalled carbon nanotubes) dobrze przewodzą prąd elektryczny. MWCNTs to – najprościej mówiąc – utworzone z atomów węgla płaszczyzny zwinięte w rulon, nałożone koncentrycznie jedna na drugą. Ponieważ wielościenne nanorurki węglowe niechętnie łączą się z polimerami (tutaj z poliakrylonitrylem) zostały wstępnie aktywowane kwasem, co poskutkowało pojawieniem się grup kwasowych na powierzchni nanorurek, umożliwiających powstanie mocnych chemicznych połączeń pomiędzy dwoma elementami tworzącymi włókno. Nowy materiał doskonale przewodzi prąd elektryczny, jest elastyczny i tani w produkcji, a zastosowana metoda jego syntezy pozwala na bezproblemowe zwiększenie produkcji ze skali laboratoryjnej do skali przemysłowej. Jak twierdzą naukowcy, użycie włókien z MWCNTs uniezależnia producentów etkanin od wahania cen drogich metali szlachetnych lub półszlachetnych stosowanych do metalizowania powierzchni przewodzących włókien. Obecnie, nowe technologie wykorzystujące właściwości elektryczne nowoczesnych, przewodzących prąd tkanin nie są jeszcze na etapie wdrażania do produkcji, jednak wiele jest czynionych starań, by materiały te jak najszybciej zostały praktycznie użyte w powszechnie dostępnych produktach handlowych.

mgr Krzysztof Langer, prof. dr hab. Jerzy J. Langer
Źródło: miesięcznik Builder
więcej na www.ebuilder.pl

 



powrót

Liczba wyświetleń: 2153
Firma Drewno klejone Referencje Kontakt Projekty Hale systemowe Sprzedaż Stropy drewniane Dom drewniany Kładki drewniane
Powered by Hydraportal | Design by Deepline
  • Botanical Slimming Soft Gel
  • Cell Phone Jammers
  • online: Buy best Cell Phone Jammer in our Exclusive Mobile Phone Jammer Shop, 24 hours for Shipping !
  • Reduce Weight Fruta Planta
  • Cheap Cell Phone Jammers for sale now, rush to buy! More Choices for
  • Botanical Slimming
  • Cell Phone Blocker , is the global online retailer with an affordable item for
  • Lida Diet Pills
  • every hobby and lifestyle. Home improvement , electronics,fashion and beautsupplies: available worldwide at unbeatable prices For convenient shopping and everyday savings, make a part of your life today!
  • Fruta Planta
  • Not only this, activates body cells and balances over body microcirculation eliminating the accumulated toxic elements at works by restraining the activity of lipase in the stomach and intestinal canal.