Under den brännande sommarvärmen kan alla som tillbringar tid utomhus – idrottare, trädgårdsarbetare, barn i parken eller strandbesökare – dra nytta av ett svalkande tyg. Det finns visserligen vissa textilier som reflekterar solens strålar eller leder bort värme från kroppen, men de nuvarande alternativen kräver boutiquefibrer eller komplexa tillverkningsprocesser. Men nu rapporterar forskare om en hållbar kritbaserad beläggning som kyler luften under det behandlade tyget med upp till 8 grader Fahrenheit.
Evan D. Patamia, doktorand vid University of Massachusetts Amherst, kommer att presentera sitt teams resultat vid höstmötet för American Chemical Society (ACS). ACS Fall 2024 är ett hybridmöte som hålls både virtuellt och fysiskt den 18-22 augusti och innehåller cirka 10.000 presentationer om en rad olika vetenskapliga ämnen.
”Om du går ut i solljuset blir du allt varmare eftersom din kropp och dina kläder absorberar ultraviolett (UV) och nära infrarött (nära IR) ljus från solen”, säger Trisha L. Andrew, kemist och materialforskare som arbetar med Patamia. ”Och så länge du lever genererar din kropp värme, vilket också kan betraktas som ljus.”
För att göra det mer bekvämt för människor att vistas utomhus har forskare utvecklat textilier som samtidigt avleder solens strålar och stöter ut naturlig kroppsvärme – en process som kallas strålningskylning. Vissa av dessa material har ljusreflekterande syntetiska partiklar, t.ex. titandioxid eller aluminiumoxid, inbäddade i spunna fibrer. Andra använder organiska polymerer, t.ex. polyvinylidendifluorid, som kräver perfluoroalkyl- och polyfluoroalkylsubstanser, så kallade PFAS eller evighetskemikalier, i sina produktionsprocesser för att skapa ljusreflekterande textilier.
Men att skala upp tillverkningen av dessa material för kommersialisering är inte hållbart, enligt Andrew. Därför ställde hon frågan till forskargruppsmedlemmarna Patamia och Megan K. Yee: ”Kan vi utveckla en textilbeläggning som gör samma sak med hjälp av naturliga eller miljövänliga material?”
Tidigare har Andrew och hans kollegor skapat en enkel teknik för att applicera hållbara polymerbeläggningar på tyg, kallad kemisk ångdeponering (CVD). Metoden kombinerar syntes och deponering i samma steg: ett tunt polymerskikt ympas på kommersiella textilier med färre steg och mindre miljöpåverkan än andra sätt att fästa beläggningar.
Med inspiration från de kalkstensbaserade plåster som historiskt använts för att hålla hus svala på extremt soliga platser arbetade Patamia och Yee med att utveckla en process för att integrera kalciumkarbonat – huvudkomponenten i kalksten och krita – samt biokompatibelt bariumsulfat i polymeren som appliceras med CVD. Små partiklar av kalciumkarbonat är bra på att reflektera våglängder i det synliga och nära infraröda området, och bariumsulfatpartiklar reflekterar UV-ljus.
Forskarna behandlade små rutor av tyg och applicerade ett 5 mikrometer tjockt poly(2-hydroxietylakrylat)-skikt och doppade upprepade gånger de polymerbehandlade rutorna i lösningar som innehöll kalcium- eller bariumjoner och lösningar som innehöll karbonat- eller sulfatjoner.
Vid varje doppning blir kristallerna större och mer enhetliga och tyget får en kritliknande, matt yta. Patamia säger att genom att ändra antalet doppningscykler kan partiklarna ställas in så att de når den perfekta storleksfördelningen (mellan 1 och 10 mikrometer i diameter) för att reflektera både UV- och nära IR-ljus.
Forskarna testade kylförmågan hos behandlade och obehandlade tyger utomhus under en solig dag då temperaturen var över 90 grader. De observerade att lufttemperaturen under det behandlade tyget var 8 grader kallare än den omgivande temperaturen mitt på eftermiddagen. Skillnaden var ännu större, som mest 15 grader, mellan behandlat och obehandlat tyg, som värmde upp luften under provet.
”Vi ser en verklig kyleffekt”, säger Patamia. ”Det som finns under provet känns kallare än om man står i skuggan.”
Som en slutlig utvärdering av mineralpolymerbeläggningen simulerade Yee friktionen och effekten av tvättmedel i en tvättmaskin. Hon fann att beläggningen inte gnuggades bort och att materialet behöll sin kylande förmåga.
”Hittills har vi i våra processer begränsats av storleken på vår laboratorieutrustning”, säger Andrew. Men hon ingår i ett nystartat företag som håller på att skala upp CVD-processen för tygstycken som är cirka 1,5 meter breda och 100 meter långa. Andrew förklarar att detta företag skulle kunna vara ett sätt att överföra Patamia och Yee’s innovationer till produktion i pilotskala.
”Det som gör vår teknik unik är att vi kan göra detta på nästan vilket kommersiellt tillgängligt tyg som helst och förvandla det till något som kan hålla människor svala”, avslutar Patamia. ”Utan någon kraftinsats kan vi minska hur varm en person känner sig, vilket kan vara en värdefull resurs när människor kämpar för att hålla sig svala i extremt varma miljöer.”
