فناوری پارچه‌های خنک‌کننده

فناوری پارچه‌های خنک‌کننده ؛ افزایش بی‌وقفه دماهای جهانی ما را وارد دورانی از تابستان‌های غیرقابل تحمل‌تر کرده است که نتیجه مستقیم بحران رو به وخامت آب‌وهوایی است. در این جستار، به بررسی جالب‌توجهی از دنیای فناوری پارچه‌های خنک‌کننده می‌پردازیم، جایی که ائتلافی از برندهای خلاق پوشاک و پژوهشگران پیشرو تلاش می‌کنند تا ناراحتی ناشی از گرمای بی‌سابقه را کاهش دهند. این پیشرفت‌ها قدم مهمی در تعریف دوباره توانایی ما برای تحمل دماهای شدید محسوب می‌شود.

همزمان با تابستان سوزان ۲۰۲۳، این دوره به‌عنوان یکی از گرم‌ترین زمان‌های ثبت‌شده در بسیاری از مناطق، در تاریخ حک می‌شود. این پدیده موج گرما که به‌وسیله بحران آب‌وهوایی ادامه‌دار تشدید شده است، چالش‌های بی‌سابقه‌ای را برای سلامت انسان به ارمغان آورده و ضرورت راه‌حل‌های نوآورانه را برای کاهش ناراحتی‌ها و خطرات ناشی از گرمای شدید افزایش داده است.

فناوری پارچه‌های خنک‌کننده ، به ما نشان می‌دهد که چگونه پارچه‌ها می‌توانند در مبارزه با گرمای شدید نقش مؤثری ایفا کنند و با بهبود راحتی و کارایی، آینده‌ای راحت‌تر و کارآمدتر برای زندگی روزمره ایجاد کنند.

گرما چیست؟ سرما چیست؟

به زبان ساده: گرما انرژی است و سرما عدم وجود انرژی.

بدن انسان گرما تولید می‌کند و همواره سعی می‌کند دمای مرکزی بدن را در محدوده بین ۳۶.۵ تا ۳۷.۵ درجه سانتی‌گراد تنظیم کند. گرما می‌تواند مستقیماً از سوخت‌وساز بدن تولید شود (= گرمای متابولیک) و یا به تأثیر شرایط محیطی مانند دمای هوا، تابش، رطوبت و باد بر بدن انسان مربوط باشد. هنگامی که گرمای بیشتری تولید می‌شود، مثلاً هنگام فعالیت‌های ورزشی، بدن با تولید عرق واکنش نشان می‌دهد تا دما را تنظیم کرده و خنک شود.

چگونه خنک‌سازی انجام می‌شود؟

خنک‌سازی تبخیری مؤثرترین روش برای دفع گرما از بدن است. برای دفع گرمای بدن و انجام فرایند خنک‌سازی، باید عرق مستقیماً روی سطح پوست تبخیر شود. تنها پارچه‌هایی که به‌درستی طراحی شده‌اند می‌توانند به مکانیسم خنک‌سازی بدن کمک کنند. میزان موفقیت لباس‌ها در کمک به خنک نگه‌داشتن بدن و جلوگیری از گرمای بیش‌ازحد، موضوع آزمایش‌های فیزیولوژیکی در مؤسسات معتبری مانند Hohenstein و Empa است و همچنین توسط ارائه‌دهندگانی همچون Inside Climate بررسی می‌شود.

یکی از روش‌های آزمون برای تعیین انتقال رطوبت در سیستم‌های لباس و سیستم‌های عایق‌بندی نساجی، دستگاه Torso عرق‌کننده در Empa است. این دستگاه امکان اندازه‌گیری میزان عایق‌بندی حرارتی مواد سطحی و همچنین تأثیر خنک‌کنندگی تعریق را فراهم می‌کند. به این ترتیب، ویژگی‌های حرارتی پارچه‌های تک‌لایه و چندلایه بررسی و برای کاربردهای خاص بهینه‌سازی می‌شوند.

WATson نیز دستگاهی است که در Hohenstein توسعه یافته و بر اساس اصل تنظیم فیزیکی-حرارتی عمل می‌کند: عملکرد خنک‌کنندگی فیزیکی یک پارچه را می‌توان در شرایط واقعی استفاده، مانند گرمای استوایی، مناطق با دمای خنک‌تر و سرعت‌های مختلف باد، اندازه‌گیری کرد.

WATson امکان آزمون سریع و کارآمد “اثر خنک‌کنندگی” پارچه‌های نساجی را در مراحل اولیه توسعه بدون نیاز به آزمایش‌های گران‌قیمت در اتاق‌های کنترل آب‌وهوا فراهم می‌کند، به‌طوری‌که پارچه‌ها بهینه شده و استانداردهای کیفی رعایت می‌شوند.

باید توجه داشت که با وجود تمام این آزمایش‌ها، تأثیر خنک‌کنندگی روی پوست به عوامل متعددی بستگی دارد و هر فرد به‌طور متفاوتی آن را احساس می‌کند.

گرما در مقابل سرما؟

برای اهداف خنک‌کنندگی، عوامل منفی (عواملی که منجر به از دست دادن گرما می‌شوند) باید بیشتر از عوامل مثبت (عواملی که تولید گرما می‌کنند) باشند.

جذب

یک محیط می‌تواند گرما و عرق را جذب کند. در مورد منسوجات، این محیط جاذب می‌تواند از طراحی الیاف بافته‌شده یا کشباف تشکیل شود. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که میزان و سرعت انتقال رطوبت بسیار حیاتی است: بدن نیاز دارد رطوبت نزدیک به پوست باقی بماند تا بتواند به سرعت تبخیر شود!

این اصل چگونه در منسوجات استفاده می‌شود؟

عرق از طریق طراحی‌های الیاف و پارچه منتقل می‌شود. این انتقال می‌تواند در عرض پارچه (دو بعدی / خاصیت موئینگی جانبی) یا عمودی، یعنی دور از پوست به سطح خارجی پارچه (سه بعدی) انجام شود.

عرق می‌تواند دفع (آب‌گریز) یا جذب (آب‌دوست) شود، درست مانند عملکرد یک آهنربا. اگر پارچه‌ای آب‌گریز (دفع‌کننده رطوبت) روی پوست با پارچه‌ای آب‌دوست (جاذب رطوبت) در قسمت بیرونی ترکیب شود، رطوبت به‌طور مؤثر به بیرون منتقل می‌شود. یک پارچه می‌تواند به‌طور طبیعی دارای خواص انتقال رطوبت باشد یا این ویژگی‌ها می‌توانند از طریق استفاده از مواد شیمیایی روی الیاف ایجاد شوند.

در مورد پنبه، رطوبت در ساختار کریستالی یا هسته لیف ته‌نشین می‌شود و به‌سختی تبخیر می‌شود. پلی‌استر تنها حدود ۵٪ از وزن خود را به عنوان رطوبت نگه می‌دارد؛ برای پلی‌آمید آب‌دوست، این مقدار تقریباً ۲-۳٪ است و برای پلی‌پروپیلن حتی کمتر از ۱٪ است.در اینجا باید با اصطلاحاتی آشنا شویم :

اصطلاح واکنش گرماگیر زمانی به‌کار می‌رود که پارچه گرما را از محیط خود جذب کند (مثلاً در تماس با آب). پشم خاصیت گرماگیر دارد، همچنین زایلیت، نوعی الکل قندی که در تماس با رطوبت گرما را از محیط جذب می‌کند.

مواد تغییر فازدهنده (PCM) گرما و سرما را تبادل می‌کنند و مانند یک مخزن حرارت نهان عمل می‌کنند. اثر گرماگیر و مواد PCM طراحی شده‌اند تا بدن را در دمای مناسب نگه دارند و از تعریق جلوگیری کنند. این ویژگی‌ها زمانی مفید هستند که بدن هنوز گرمای زیادی تولید نکرده تا عرق ایجاد شود. بنابراین این اثرات به‌عنوان خنک‌کننده -xy°C اندازه‌گیری نمی‌شوند.

همرفت (Convection)

هوای گرم یا بخار آب درون یا بیرون از سیستم لباس جابجا می‌شود. این نوع انتقال می‌تواند به‌طور اجباری، مانند حرکات فرد استفاده‌کننده، انجام شود.

رسانش یا انتشار

گرما همیشه در جهت دمای پایین‌تر جریان می‌یابد – از گرم به سرد – مگر اینکه انتقال حرارت توسط یک ماده عایق مانند هوای عایق جلوگیری شود.

۱. رسانش حرارتی (Conduction)

برای جلوگیری از حفظ گرما در سطح الیاف، از مقاطع عرضی لیف‌هایی که به خوبی گرما را منتشر می‌کنند، استفاده کنید. به‌جای الیاف با مقاطع عرضی حفظ‌کننده حرارت ، از الیاف با مقاطع گرد یا تخت استفاده کنید: نخ‌های غیر بافته و مخصوصاً نخ‌های پیچ‌خورده صاف، حس خنکی می‌دهند.
برای انتقال حرارت بهتر، از مواد رسانای حرارتی مانند فلزات (نقره، مس، آلومینیوم) در چاپ‌ها استفاده کنید.

نکته مهم این است که فلزات باید با یکدیگر تماس مستقیم داشته باشند، در غیر این صورت جریان حرارت قطع می‌شود. چاپ‌هایی که از مواد کربنی مانند گرافیت، گرافن یا یشم استفاده می‌کنند نیز رسانا هستند. متأسفانه، برای یک چاپ خاص مقادیر اندازه‌گیری‌شده‌ای وجود ندارد، اما احتمالاً این مقادیر کمتر از فلزات هستند، زیرا فلزات رساناهای بهتری هستند. چاپ‌ها معمولاً به اندازه کافی سطح را نمی‌پوشانند تا بتوانند گرما را به خوبی منتقل کنند.

۲. تبخیر/بخار شدن (Evaporation/Vaporization)

مایعات از طریق جذب انرژی به حالت گازی تبدیل می‌شوند، برای مثال، عرق به بخار آب تبدیل می‌شود. هر چه سطح تماس مایع با منبع گرما بیشتر باشد، میزان تبخیر عرق بیشتر خواهد بود و انرژی مورد نیاز از بدن گرفته می‌شود و خنک‌سازی انجام می‌شود.

طبق فیزیولوژی انسانی و فیزیک، تبخیر عرق بهترین و مؤثرترین روش برای دفع گرما از بدن است (۲.۴ کیلوژول/گرم در دمای پوست، مؤسسه Hohenstein) – و به همین دلیل است که بدن انسان عرق می‌کند!

۳. تابش (Radiation)

گرما به‌صورت انرژی حرارتی در قالب امواج الکترومغناطیسی انتقال می‌یابد. طول موج‌ها می‌توانند متفاوت باشند. هر چه طول موج کوتاه‌تر باشد، انرژی بیشتری دارد (ژول). تابش حرارتی می‌تواند از طول موج کوتاه (NIR) تا میانی (MIR) و بلند (FIR) متغیر باشد. قدرت این تابش/طول موج قابل‌تغییر است.

بهترین راه برای خنک نگه داشتن

بهترین راه برای خنک نگه داشتن بدن بستگی به دمای محیط و مکانیزم‌های مختلف خنک‌کننده دارد. در اینجا بر اساس محدوده دمایی و راهبردهای کلیدی برای به حداکثر رساندن خنک‌سازی توضیح داده شده است:

۱. دمای محیط بین ۲۰ تا ۳۱ درجه سانتی‌گراد (شرایط ملایم تا گرم)

• تابش (Radiation) در این محدوده قوی‌ترین عامل خنک‌کننده است.
• از پارچه‌هایی که نور مرئی (MIR) را بازتاب می‌دهند استفاده کنید و از مواد جاذب گرما خودداری کنید. هدف این است که نور خورشید بازتاب یابد و پارچه گرم نشود.
• از جذب نور ماوراءبنفش (UV) پرهیز کنید و اطمینان حاصل کنید که پارچه نور مرئی را بازتاب می‌دهد.

۲. دمای محیط بین ۳۱ تا ۳۵ درجه سانتی‌گراد (شرایط گرم تا خیلی گرم)

• ترکیبی از تابش، همرفت (Convection)، و تبخیر (Evaporation) بهترین اثر خنک‌کننده را ارائه می‌دهد.
• همچنان از پارچه‌هایی که نور مرئی را بازتاب می‌دهند استفاده کنید تا از تجمع گرما جلوگیری شود.
• با استفاده از پارچه‌های دارای دریچه یا مش، همرفت را بهبود دهید تا هوا بتواند جریان یابد و به خنک شدن پوست کمک کند.
• تبخیر در این محدوده بسیار مهم است. توزیع سریع و گسترده عرق نزدیک به سطح پوست مساحت بیشتری برای تبخیر ایجاد کرده و باعث بهبود خنک‌سازی می‌شود.

۳. دمای محیط بالای ۳۵ درجه سانتی‌گراد (شرایط بسیار گرم)

• تبخیر به تنها عامل خنک‌کننده تبدیل می‌شود.
• توزیع گسترده عرق نزدیک به سطح پوست حیاتی است، زیرا این کار باعث به حداکثر رساندن فرآیند تبخیر و دفع گرما از بدن می‌شود.
• توجه داشته باشید که اثر خنک‌کننده بیشتر بر کاهش دمای مرکزی بدن تمرکز دارد و نه فقط دمای سطح پوست. در شرایط گرمای شدید، حداکثر اثر خنک‌کننده باعث کاهش حدود ۰.۰۸ درجه سانتی‌گراد در دمای مرکزی بدن می‌شود، که اهمیت تبخیر عرق را برجسته می‌کند.

بطور خلاصه، برای خنک‌سازی بهینه باید از پارچه‌هایی استفاده کرد که نور را بازتاب دهند، جریان هوای مناسب را از طریق دریچه‌ها یا مش‌ها فراهم کنند، و تبخیر عرق را با توزیع سریع رطوبت در سطح پوست تقویت کنند. این ترکیب روش‌ها به خنک نگه داشتن بدن در شرایط مختلف گرما کمک می‌کند.

پیشگامان نوآوری

چندین برند برجسته، ابتکار عمل را برای توسعه پارچه‌های خنک‌کننده‌ای که نوید تحول در مقابله با گرمای شدید را می‌دهند، به دست گرفته‌اند. از میان آن‌ها می‌توان به Bearbottom Clothing، LifeLabs و Mission اشاره کرد که به‌عنوان پیشگامان این عرصه شناخته می‌شوند و محصولات نوآورانه‌ای را معرفی کرده‌اند که به افراد کمک می‌کند حتی در سخت‌ترین موج‌های گرما خنک و راحت بمانند.

پیشرفت گرافن در Bearbottom Clothing

رویکرد Bearbottom Clothing شامل استفاده از فناوری پیشرفته برای پردازش پارچه‌ها، از جمله پلی‌استر بازیافتی و نایلون، با گرافن است – ماده‌ای شگفت‌انگیز که هدایت حرارتی بالایی دارد. این پردازش نوآورانه به این پارچه‌ها اجازه می‌دهد تا رطوبت و گرمای بدن را به‌طور مؤثری از بین ببرند و یک اثر خنک‌کنندگی ایجاد کنند که می‌تواند دمای بدن فرد را تا ۳ درجه فارنهایت کاهش دهد.

CoolLife LifeLabs: قدرت پلی‌اتیلن

محصولات CoolLife شرکت LifeLabs بر استفاده از پارچه پلی‌اتیلن متمرکز است که به‌طور منحصر به‌فردی در آزادسازی گرمای بدن مهارت دارد. این ویژگی به کاهش قابل‌توجه دمای بدن فرد منجر می‌شود و در برابر گرمای مداوم تسکین می‌بخشد، که می‌تواند در سناریوهای مختلف مزایای زیادی داشته باشد.

NanoStitch: یک شگفتی تنفسی

NanoStitch نیز راهی مشابه را در پیش گرفته و با طراحی پارچه‌های سفارشی از لیف Lycra® و نخ پلی‌آمید فوق‌العاده ریز، ماده‌ای بسیار سبک و تنفس‌پذیر تولید کرده است که گرمای بدن را به‌طور مؤثری دفع می‌کند و انتخابی محبوب برای افرادی است که به دنبال تسکین از گرمای طاقت‌فرسا هستند.

فناوری HydroActive™ Mission: یک تغییر دهنده بازی

در طرف دیگر، Mission با فناوری خنک‌کننده انقلابی HydroActive™ یک جهش اساسی را به ارمغان آورده است. این رویکرد نوآورانه این پتانسیل را دارد که لباس‌ها را تا ۳۰ درجه فارنهایت زیر دمای متوسط بدن خنک کند. فعال‌سازی این مکانیزم خنک‌کننده شگفت‌انگیز به سادگی با مرطوب کردن لباس انجام می‌شود و سپس با تبخیر سریع، تسکین قابل توجهی از گرما ارائه می‌دهد.

پارچه‌های متا: توان بالقوه خنک‌کنندگی استثنایی

آینده پارچه‌های خنک‌کننده با پارچه‌های “متا” پیشرفت بیشتری دارد. در یک آزمایشگاه تحقیقاتی در چین، تیمی به رهبری دانشمند گوانگ‌مینگ تائو موفق به توسعه پارچه متایی شده است که می‌تواند دمای پوست را تا ۹ درجه فارنهایت کاهش دهد.

این پارچه متا می‌تواند به حمل همزمان یک آینه و یک دستگاه تهویه هوا تشبیه شود. این فناوری از یک جزء شبیه به آینه استفاده می‌کند تا تابش خورشیدی را منحرف کند، در حالی که تبادل گرمای بدن با هوای خنک‌تر را امکان‌پذیر می‌سازد و همانند یک دستگاه تهویه هوا عمل می‌کند. نتیجه این فناوری راحتی بی‌نظیری حتی در زمان‌هایی است که دما به‌طور بی‌سابقه‌ای افزایش می‌یابد.

نوآوری‌های دانشگاه استنفورد در پارچه‌های خنک‌کننده

به‌موازات این پیشرفت‌های هیجان‌انگیز، مهندسان استنفورد پارچه‌ای مبتنی بر پلاستیک و کم‌هزینه طراحی کرده‌اند که پتانسیل آن را دارد که از نظر کارایی خنک‌کنندگی، از پارچه‌های سنتی پیشی بگیرد. این نوآوری نویدبخش آینده‌ای است که در آن خنک‌کنندگی شخصی می‌تواند جایگزین سیستم‌های خنک‌کننده پرهزینه ساختمان‌ها شود.

این پارچه پیشگام به‌گونه‌ای طراحی شده است که به بدن اجازه می‌دهد حرارت را از طریق دو مکانیزم مجزا پراکنده کند و به این ترتیب، کاهش دمای محسوس نزدیک به ۴ درجه فارنهایت نسبت به لباس‌های نخی معمولی را فراهم می‌آورد. این پارچه، تبخیر عرق و عبور حرارت بدن به‌صورت تابش مادون‌قرمز را تسهیل می‌کند و به یک جنبه نادیده‌گرفته‌شده از طراحی پارچه‌ها توجه می‌کند.

برای تولید این پارچه خنک‌کننده، محققان استنفورد با استفاده از نانوتکنولوژی، فوتونیک و شیمی، پلی‌اتیلن را اصلاح کرده‌اند، که ماده‌ای است که معمولاً در تولید باتری‌ها استفاده می‌شود. نتیجه، پارچه‌ای است که اجازه می‌دهد تابش حرارتی، هوا و بخار آب از آن عبور کند در حالی که نسبت به نور مرئی کدر باقی می‌ماند.