Gestion zéro carbone de la chaleur et de l'humidité inspirée par la peau basée sur un tissu intelligent à mémoire de forme
Contexte académique
Avec l’augmentation continue des émissions mondiales de gaz à effet de serre, la température de l’environnement ne cesse de croître, exposant l’humanité à des menaces potentielles pour la santé et la productivité dues aux conditions climatiques extrêmes. En particulier, pendant l’été, l’utilisation généralisée de dispositifs de refroidissement tels que les climatiseurs et les ventilateurs entraîne une augmentation spectaculaire de la consommation d’énergie, exacerbant encore les émissions de gaz à effet de serre. Selon les statistiques, les dispositifs de refroidissement estivaux représentent actuellement 40 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone, et ce chiffre devrait atteindre 50 % d’ici 2050. De plus, les environnements froids constituent également une menace pour la vie humaine, comme en témoigne l’incident du marathon de Baiyin dans le Gansu en 2021, où des conditions météorologiques extrêmes ont causé plusieurs décès. Par conséquent, le développement de textiles intelligents durables, sans énergie externe et à zéro émission, capables de réguler l’équilibre thermique et hydrique du corps humain sans apport énergétique externe, est devenu un objectif de recherche majeur.
Les textiles intelligents de gestion de la chaleur et de l’humidité peuvent efficacement réguler le confort thermique et hydrique entre l’environnement et la peau, réduisant ainsi considérablement la consommation d’énergie, ce qui s’aligne avec les objectifs de développement durable. Cependant, les textiles actuels de gestion de la chaleur et de l’humidité présentent encore des lacunes en termes de réponse intelligente et de capacité de régulation en temps réel, en particulier dans la recherche sur les textiles basés sur des polymères à mémoire de forme (SMP). Cet article, grâce à une conception biomimétique, combine des fibres de copolymère éthylène-acétate de vinyle (EVA) à mémoire de forme et des tissus en coton traditionnels pour développer un tissu intelligent avec une fonction de transport unidirectionnel de l’humidité, visant à réaliser une gestion adaptative de la chaleur et de l’humidité environnementale et à atteindre un objectif de zéro émission de carbone.
Source de l’article
Cet article a été co-écrit par Jing Zou, Yongzhen Wang, Xiang Yu, Rulin Liu, Weiqiang Fan, Jing Cheng et Weiyi Cai, auteurs affiliés à l’École des sciences et de l’ingénierie textile de l’Université polytechnique de Xi’an en Chine et au Laboratoire clé des matériaux et produits textiles fonctionnels du ministère de l’Éducation. L’article a été accepté par la revue Advanced Fiber Materials le 22 octobre 2024 et soumis le 5 juin 2024. Le DOI de l’article est 10.1007/s42765-024-00496-4.
Processus de recherche et résultats
1. Préparation et optimisation des polymères à mémoire de forme
Cette étude a d’abord préparé un polymère à mémoire de forme bidirectionnel (2W-SMP) par réticulation thermique, comprenant les étapes suivantes : - Dissolution du copolymère éthylène-acétate de vinyle (EVA) dans du chloroforme, chauffé à 55°C et agité pendant 3 heures. - Ajout de l’agent de réticulation, le peroxyde de dicumyle (DCP), suivi d’une agitation continue pendant 1 heure. - Versement de la solution dans un plat en verre, évaporation du solvant pour obtenir un film EVA-DCP. - Utilisation d’une extrudeuse monovis miniaturisée pour préparer des fibres EVA-DCP de différents diamètres, puis chauffage à 170°C pendant 2 heures pour la réticulation.
La structure réticulée et les propriétés cristallines du polymère ont été confirmées par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et diffraction des rayons X (XRD). L’étude a également optimisé la plage de température de réponse à la mémoire de forme par analyse calorimétrique différentielle (DSC) et analyse mécanique dynamique (DMA), sélectionnant finalement l’EVA3.0 (25 % de teneur en VA) comme matériau de base.
2. Préparation des tissus composites à mémoire de forme
Les fibres à mémoire de forme ont été tissées avec des fils de coton selon une structure unie, comprenant les étapes suivantes : - Sélection du fil de coton 87texx5 comme chaîne et des fibres à mémoire de forme de 1,5 mm de diamètre comme trame. - Tissage à l’aide d’une machine à tricoter manuelle, optimisant le choix des fils, la finesse de la chaîne et la structure du tissu. - Application d’un traitement hydrophobe unilatéral pour obtenir une fonction de transport unidirectionnel de l’humidité.
La capacité de régulation thermique dynamique du tissu pendant le processus de mémoire de forme a été vérifiée par imagerie thermique infrarouge et tests de conductivité thermique. Les expériences ont montré que la conductivité thermique du tissu atteint 0,091 W/m·K à 48°C, avec une perméabilité à l’air de 461,7 mm/s et un taux d’évaporation d’eau de 2021,5 g/(d·m²).
3. Recherche sur la fonction de transport unidirectionnel de l’humidité
Un traitement hydrophobe unilatéral a été appliqué au tissu par pulvérisation, comprenant les étapes suivantes : - Utilisation d’une solution de méthylsilicate de sodium comme agent hydrophobe, pulvérisée sur la surface du tissu. - Optimisation de la concentration de l’agent hydrophobe (0,5 % p/p, 1,0 % p/p, 1,5 % p/p, 2,0 % p/p) et du nombre de pulvérisations (1, 3, 5 fois). - Évaluation de la performance de transport unidirectionnel de l’humidité du tissu par des tests de gestion de l’humidité liquide (MMT).
Les résultats expérimentaux ont montré qu’après 3 pulvérisations avec un agent hydrophobe à 1 % p/p, l’indice de transport unidirectionnel de l’humidité du tissu atteint 193,2, avec une capacité globale de gestion de l’humidité (OMMC) de 0,74.
4. Performance de gestion thermique et hydrique du tissu intelligent
La performance de transport unidirectionnel de l’humidité du tissu a été testée avec une solution de povidone iodée à 1 % simulant la sueur humaine, montrant que le tissu peut transférer rapidement l’humidité de la couche en contact avec la peau vers la couche externe en 12 secondes, améliorant ainsi significativement le confort corporel. De plus, l’imagerie thermique infrarouge a révélé que le tissu augmente significativement la transmittance radiative à 48°C, permettant une régulation thermique efficace.
Conclusion et signification
Cette étude a réussi à développer un système biomimétique de gestion thermique et hydrique à zéro carbone basé sur un tissu intelligent à mémoire de forme. Le tissu, grâce à l’effet de mémoire de forme, réalise une fonction d’ouverture et de fermeture de pores adaptative à la température, améliorant considérablement la perméabilité à l’air et la capacité d’évaporation de l’eau. Combiné à la technologie de transport unidirectionnel de l’humidité, le tissu peut rapidement transférer la sueur de la couche cutanée vers la couche externe et l’évaporer, améliorant ainsi le confort du microenvironnement corporel. Cette recherche offre de nouvelles perspectives pour la conception de textiles intelligents de régulation thermique et de dispositifs portables, avec un large potentiel d’application, en particulier dans les domaines de l’extérieur, médical, militaire et de l’efficacité énergétique.
Points forts de la recherche
- Conception biomimétique : Grâce au mécanisme de régulation thermique de la peau, un tissu intelligent à réponse dynamique a été développé.
- Zéro émission de carbone : Le tissu ne nécessite aucun apport énergétique externe, réalisant une gestion thermique et hydrique à zéro émission de carbone.
- Mémoire de forme bidirectionnelle : En optimisant le degré de réticulation et la température de réponse du polymère à mémoire de forme, un effet de mémoire de forme bidirectionnelle a été réalisé.
- Fonction de transport unidirectionnel de l’humidité : Grâce à un traitement hydrophobe unilatéral, le tissu possède une excellente performance de transport unidirectionnel de l’humidité, améliorant significativement le confort corporel.
Autres informations utiles
Cette étude a également démontré le potentiel d’application du tissu intelligent dans la vie quotidienne et les activités sportives. Les expériences ont montré que dans un environnement extérieur à 39°C, le tissu peut réduire la température cutanée de 4,35°C, améliorant significativement le confort thermique corporel. De plus, le tissu reste intact après 100 cycles d’usure, avec des changements dimensionnels ne dépassant pas 2 % après lavage, démontrant une bonne durabilité.
Cette recherche offre de nouvelles solutions pour un mode de vie futur à faible émission de carbone et respectueux de l’environnement, avec une importante valeur scientifique et pratique.