عملکردهای الیاف حافظه دار و حرارتی پلی یورتان حساس به حرارت
این مطالعه اولین گام برای بررسی قابلیت استفاده الیاف حافظه دار پلی یورتان (SMPU) در کاربردهای گارمنت هوشمند است. در اینجا، الیاف SMPU با فرآیند الکتروریسی مرطوب تابیده شده و خواص شیمیایی/مکانیکی آنها بررسی شد. محلول های SMPU با دو غلظت مختلف (20 و 25 درصد) آماده شدند و از سه حمام انعقادی با غلظت های مختلف (0، 1 و 3 درصد) نیز برای تعیین پارامترهای بهینه الکتروریسی استفاده شد. برای بررسی اثرات فرآیند الکتروریسی بر روی ساختار کریستالی، در این مقاله به بررسی عملکرد حافظه، مکانیکی، حرارتی و شکلی الیاف با استفاده از پراش اشعه ایکس (XRD)، کالریمتری اسکن تفاضلی (DSC)، تحلیل مکانیکی دینامیکی (DMA)، میکروسکوپ الکترون روبشی (SEM) و آزمایشات مکانیکی پرداخته شده است. نتایج تحلیل DSC و DMA نشان می دهد که الیاف پلی یورتان حافظه دار از دمای انتقال شیشه ای حدود 40-35 درجه سانتیگراد برخوردار هستند که متناسب با دمای بدن مناسب است. علاوه بر این، الیاف SMPU عملکرد کششی خوبی با متوسط مقاومت 1.38 و کشیدگی در شکست 350 درصدی را از خود نشان دادند. نتایج حاصل از آزمایش ترمومکانیکی نشان داد که تمام الیاف حافظه دار اثرات حافظه ای خوب با نسبت بازیابی و تثبیت تا 91 و 71 درصد هستند.
پلیمرهای حافظه دار (SMPU) که گروهی از مواد هوشمند هستند، به دلیل عملکرد آنها در بازیابی شکل اصلی (دائمی) از یک شکل موقت تحت محرک های خارجی مانند گرما، نور، pH و رطوبت در کاربردهای مختلف بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. در مقایسه با سایر مواد حافظه دار، SMPU ها از خواص قابل توجهی مانند وزن سبک، توانایی پردازش خوب، بازیابی بالای شکل و دمای بالای بازیابی شکل برخوردار هستند. در نتیجه، با توجه به مزایای ذکر شده، در دو دهه گذشته به طور گسترده در تحقیقات دانشگاهی و کاربردهای صنعتی مورد مطالعه و استفاده قرار گرفته اند. امروزه SMP ها با القای حرارتی استفاده در صنایع مختلف مانند نساجی، حوزه های مهندسی و تجهیزات زیست پزشکی استفاده می شوند. از نظر ساختار شیمیایی، SMP ها به صورت کوپلیمرهای چند بلوکی خطی فازی متشکل از دو بخش نرم و سخت تفکیک می شوند که عامل ایجاد فازهای منجمد و برگشت پذیر هستند. انتقال فاز برگشت پذیر بخش نرم تعیین کننده اثر حافظه-شکل است و به عنوان یک سوئیچ مولکولی عمل می کند. دمای انتقال شیشه (Tg) یا دمای ذوب کریستال (Tm) بخش نرم به عنوان دمای انتقال شکل (Ttrans) در SMP ها استفاده می شود. خواص مکانیکی ها به شدت تحت تأثیر میکرومورفولوژی آنها قرار می گیرد. خواص حافظه-شکل به بسیاری از عوامل مانند ساختار شیمیایی، ترکیب و وزن مولکولی SMP ها، توزیع بخش های سخت و نرم بستگی دارد. چندین سیستم پلیمری مانند پلی یورتان، ترانس پلی ایزوپرن (TPI)، پلی (استایرن-کوبوتادین)، پلی نوربورن دارای خواص حافظه-شکل هستند. پلی یورتان های حافظه دار (SMPU) از دمای سوئیچ گسترده (دمای انتقال شیشه یا دمای ذوب) با تغییر بخش های نرم و سخت و همچنین محتوا برخوردار هستند. SMPU ها به دلیل ناسازگاری ترمودینامیکی بین بخش های سخت و نرم بعنوان پلیمرهای جدا از فاز محسوب می شوند و این مشخصه نشان دهنده اثر مطلوب حافظه-شکل آنها است. محتوای بخش نرم پارامتر تعیین کنندۀ اثربخشی بر فرآیند جداسازی و در نتیجه، رفتار حافظه-شکل SMPU ها است. آثار متعددی به بررسی پارامترهای سنتز و عملکرد حافظه-شکل SMPU های تقسیم شده پرداخته اند. بیشتر این مطالعات بر تغییر انواع یا وزن مولکولی بخش نرم در فرایند سنتز پلیمر به منظور تغییر دمای انتقال شیشه پلیمر متمرکز شده اند.
SMPU ها به دلیل قابلیت پردازش خوب و خواص مکانیکی مناسب (الاستیسیته، استحکام و مقاومت سایشی) کاربرد گسترده ای دارند. همچنین SMPU ها برای فرآیندهای نساجی مانند ریسندگی الیاف و تولید منسوجات هوشمند با قابلیت خود-سازگاری با بدن انسان و دمای محیط مناسب هستند. بنابراین، کاربردهای مختلف SMPU در اشکال مختلف مانند الیاف، نخ، فیلم و فوم در مقوله های تولید و مشخصه سازی مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند. در برخی از مطالعات، از الیاف حافظه دار مختلف به منظور تقویت خواص مکانیکی و مقایسه آنها با الیاف الاستین تجاری مانند Iycra، XLA و نایلون بهره گرفته شده است. نتایج حاصل از این مطالعات استحکام و عملکرد کرنش قابل قبولی را در مقایسه با الیاف سنتز معمولی نشان می دهد. در سال های اخیر، بسیاری از محققان توسعه عملکردی الیاف و تولید منسوجات هوشمند با اثر حافظه-شکل مانند نخ ریسندگی، پارچه های تنفسی، پانسمان زخم، تاندون های مصنوعی و لباس های محافظ را محور کار خود قرار داده اند. برخی از این مطالعات به بررسی الیافی می پردازند که با کمک تکنیک های مرطوب، مذاب یا الکتروریسی همراه با پلی یورتان حافظه دار تابیده می شوند و علاوه براین، عملکردهای حافظه، مکانیکی و حرارتی آنها را نیز مطالعه می کنند. پلی یورتان حافظه دار (SMPU) رایج ترین SMP است که در اشکال مختلف از کاربرد بالایی در برنامه های هوشمند همچون تولید لباس محافظ حرارتی، لباس ورزشی، لباس زیر، دستکش، جوراب و حتی کاربردهای زیبایی شناسی برخوردار است. در این مطالعه، بهینه سازی الکتروریسی با تولید شش نوع الیاف SMPU در شرایط مختلف (محلول و غلظت حمام انعقادی) در فرایند الکتروریسی مرطوب انجام شده است. عملکرد الیاف تابیده شدۀ دارای تغییر دمای متناسب با بدن انسان مورد بررسی قرار گرفت. علاوه براین، تأثیر محلول و غلظت های حمام انعقادی بر روی عملکرد حافظه، شیمیایی و مکانیکی الیاف نیز مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
الیاف پلی یورتان حافظه دار (SMPU) با روش الکتروریسی مرطوب همراه با حلال و غلظت های حمام انعقادی مختلف با موفقیت تولید شدند. همچنین می توان نتیجه گرفت که دمای انتقال شیشه (Tg) بخش نرم که می تواند باعث تغییر شکل شود، براساس تحلیل های DSC و DMA بین 36-40 باشد و غلظت های حلال در حمام انعقادی تأثیر قابل توجهی بر دمای انتقال شیشه الیاف ندارد. در جدول زیر تحلیل DSC در نمونه های حافظه در بیان شده است.
جدول 1:
الیاف تولید شده ممکن است کاربرد مناسبی در تولید لباس یا محصولات مرتبط با بدن انسان مانند لباس ورزشی، پانسمان زخم، گارمنت های محافظ جراحی، پارچه های تنفسی و ضد آب، جوراب، پارچه های ضد چروک داشته باشند. الیاف پلی یورتان حافظه دار عملکرد کششی خوبی از خود نشان دادند؛ به ویژه الیافی که با غلظت محلول پلیمری بالا و بدون حلال در حمام انعقادی تابیده شده اند. الیاف حافظه دار از عملکرد حافظه قابل توجهی برخوردار هستند که نسبت تثبیت و بازیابی به ترتیب در حدود 72.5 و 91.5 درصد در چرخه اول دارند. در سایر چرخه ها، این ارقام به ترتیب 71 و 95 درصد است. این مقادیر برای اثر حافظه-شکل الیاف در کاربرد استفاده نهایی من جمله تغییر شکل و تغییر دمای بدن کافی است. پلیمرهای حافظه دار پتانسیل بالایی برای تولید و توسعه منسوجات هوشمند مانند پارچه های تنفسی، پارچه های ضد آب و اصلاح شده دارند.
