形状記憶スマートファブリックに基づく皮膚にインスパイアされたゼロカーボン熱湿気管理

2025-03-09 Sun
学術的背景地球温暖化ガスの排出が増え続けるにつれ、環境温度が上昇し、人間は極端な気候による健康と生産性への潜在的な脅威に直面しています。特に夏場、エアコンや扇風機などの冷房機器の広範な使用により、エネルギー消費が急増し、温暖化ガスの排出がさらに悪化しています。統計によると、夏の冷房設備は現在、世界の二酸化炭素排出量の40％を占めており、2050年までに50％に上昇すると予測されています。また、寒い環境も人間の生命を脅かします。例えば、2021年の甘粛省白銀マラソン事件では、極端な天候により多数の死者が出ました。そのため、外部エネルギーを必要とせずに人体の熱と湿度のバランスを調整できる持続可能でゼロエネルギー、ゼロエミッションのスマートテキスタイルの開発が、現在の研究の焦点となっています。
スマートな熱・湿度管理テキスタイルは、環境と皮膚の間の熱・湿度の快適さを効果的に調整し、エネルギー消費を大幅に削減することができ、持続可能な開発目標に合致しています。しかし、既存の熱・湿度管理テキスタイルは、スマートな応答性とリアルタイムの調整能力にまだ不足があり、特に形状記憶ポリマー（SMP）に基づくテキスタイルの研究にはまだ大きな空白があります。本研究では、バイオミメティックデザインを通じて、形状記憶エチレン酢酸ビニル共重合体（EVA）繊維と従来の綿織物を組み合わせ、一方向の水分導通機能を備えたスマートテキスタイルを開発し、環境適応型の熱・湿度管理を実現し、ゼロカーボンエミッションを目指しています。
論文の出典本論文は、Jing Zou、Yongzhen Wang、Xiang Yu、Rulin Liu、Weiqiang Fan、Jing Cheng、Weiyi Caiによって共同執筆され、著者は中国西安工程大学紡織科学技術学院および教育部機能性紡織材料・製品重点実験室に所属しています。論文は2024年10月22日にAdvanced Fiber Materials誌に受理され、2024年6月5日に提出されました。論文のDOIは10.1007/s42765-024-00496-4です。
研究のプロセスと結果1. 形状記憶ポリマーの作製と最適化本研究では、まず熱架橋法を用いて双方向形状記憶ポリマー（2W-SMP）を調製しました。具体的な手順は以下の通りです：
- エチレン酢酸ビニル共重合体（EVA）をクロロホルムに溶解し、55°Cで3時間攪拌します。
- 架橋剤ジクミルペルオキシド（DCP）を加え、さらに1時間攪拌します。
- 溶液をガラス皿に流し込み、溶剤を蒸発させてEVA-DCPフィルムを得ます。
- ミニチュア単軸押出機を使用して、異なる直径のEVA-DCP繊維を調製し、170°Cで2時間加熱して架橋を行います。
フーリエ変換赤外分光法（FTIR）およびX線回折（XRD）分析により、ポリマーの架橋構造と結晶性を確認しました。さらに、示差走査熱量測定（DSC）および動的機械分析（DMA）を用いて、形状記憶応答温度範囲を最適化し、最終的にEVA3.0（VA含有量25 wt％）を基材として選択しました。
2. 形状記憶複合織物の作製形状記憶繊維と綿糸を平織り構造で織り込み、複合織物を作製しました。具体的な手順は以下の通りです：
- 経糸として87texx5綿糸を選択し、緯糸として直径1.5 mmの形状記憶繊維を使用しました。
- 手織り機を使用して織り込み、糸の選択、経糸の細さ、および織物構造を最適化しました。
- 一方向の疎水性加工技術を採用し、織物の片面を疎水処理して、一方向の水分導通機能を実現しました。
赤外線サーモグラフィおよび熱伝導率テストにより、形状記憶プロセス中の動的な熱調節能力を検証しました。実験により、織物は48°Cで熱伝導率が0.091 W/m・Kに達し、空気透過性は461.7 mm/s、水分蒸発率は2021.5 g/(d・m²)であることが示されました。
3. 一方向の水分導通機能の研究スプレー法を用いて織物の片面を疎水処理しました。具体的な手順は以下の通りです：
- 疎水剤としてメチルシリケートナトリウム溶液を使用し、織物表面にスプレー処理を行いました。
- 疎水剤濃度（0.5 wt％、1.0 wt％、1.5 wt％、2.0 wt％）およびスプレー回数（1回、3回、5回）を最適化しました。
- 液体水分管理テスト（MMT）を使用して、織物の一方向の水分導通性能を評価しました。
実験結果によると、1 wt％の疎水剤を3回スプレーした後、織物の一方向の水分導通指数は193.2に達し、全体的な水分管理能力（OMMC）は0.74でした。
4. スマート織物の熱・湿度管理性能1 wt％のポビドンヨード溶液を使用して、人体の汗をシミュレートし、織物の一方向の水分導通性能をテストしました。結果として、織物は12秒以内に皮膚接触層から外層に水分を迅速に移動させることができ、人体の快適性を大幅に向上させることが示されました。さらに、赤外線サーモグラフィにより、織物は48°Cで放射透過率を著しく増加させ、効果的な熱調節を実現することが示されました。
結論と意義本研究では、形状記憶スマートテキスタイルに基づくバイオミメティックなゼロカーボン熱・湿度管理システムを開発しました。この織物は、形状記憶効果により温度適応型の孔開閉機能を実現し、通気性と水分蒸発能力を著しく向上させました。一方向の水分導通技術を組み合わせることで、織物は汗を皮膚層から外層に迅速に移動させて蒸発させ、人体の微小環境の快適性を改善します。この研究は、スマートな温度調節テキスタイルやウェアラブルデバイスの設計に新たな視点を提供し、特に屋外、医療、軍事、省エネ分野での広範な応用可能性を持っています。
研究のハイライトバイオミメティックデザイン：皮膚の熱調節メカニズムを模倣し、動的応答能力を備えたスマートテキスタイルを開発しました。
ゼロカーボンエミッション：外部エネルギーを必要とせず、ゼロカーボンエミッションの熱・湿度管理を実現しました。
双方向形状記憶：形状記憶ポリマーの架橋度と応答温度を最適化し、双方向形状記憶効果を実現しました。
一方向の水分導通機能：片面の疎水処理により、織物は優れた一方向の水分導通性能を持ち、人体の快適性を大幅に向上させました。
その他の価値ある情報本研究では、スマートテキスタイルの日常生活やスポーツでの応用可能性も示しました。実験により、39°Cの屋外環境で、織物は皮膚温度を4.35°C低下させることができ、人体の熱的快適性を著しく向上させることが示されました。さらに、織物は100回の摩耗試験後も完全に保たれ、洗濯後の寸法変化は2％以内であり、優れた耐久性を持っていることが示されました。
この研究は、未来の低炭素で環境に優しい生活のための新しい解決策を提供し、重要な科学的および応用価値を持っています。