تاثير ترمو فيزيولوژيكي لايه هاي هوشمند منسوج حاوی مواد تغييرفاز دهنده (PCM) ميكروكپسول دارشده بر تعادل دمايی و ميزان تعرق بدن

علي صفوی

دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

 

چکیده

اين مقاله به بررسي تاثير مواد هوشمند تغييرفازدهنده بر راحتي ترموفيزيولوژيكي البسه (جلوگيري از نوسانات دمايي در نتيجه تغيير شرايط محيطي) مي‌پردازد. در ابتدا لايه‌ها از پارچه‌هاي حاوي مواد تغييرفازدهنده توليد و البسه حاوي اين لایه‌ها براي ارزيابي تاثير اين مواد بر تنظيم كنندگي دماي بدن و ميزان عرق با توجه به سطح فعاليت بدن، تهيه شد. اين البسه توسط افراد واقعي مورد آزمون میدانی و ارزيابي فيزيولوژيكي قرارگرفت بدین صورت که طبق يك پروتكل تست مشخص، افراد با سرعت‌هاي مختلف بر روي تردميل راه رفتند و در حين انجام اين آزمون ميزان دما و رطوبت در قسمت هاي مختلف بدن آنها (روی سينه، زيربغل،‌ مچ دست) توسط سيستم اندازه گيری سنسوري ثبت و مورد تجزيه و تحليل قرارگرفت و نتايج به دست آمده با لباس خام مقایسه گردید. نتايج نشان داد كه بكارگيري مواد تغييرفازدهنده در پارچه، تاثير قابل ملاحظه‌اي بر تعادل دمايي بدن و همچنين كاهش ميزان تعرق بدن دارد.

واژگان کلیدی: موادتغییرفازدهنده، تنظیم کنندگی دما، سیستم لباس، لایه بی بافت، تغییر دما

 

مقدمه

تا كنون مطالعات زيادي توسط محققان مختلف در ارتباط با افزايش راحتي فيزيولوژيكي لباس انجام گرفته است. در اكثر كارهاي انجام گرفته محوريت مطالعات بر مهندسي لايه‌هاي سيستم لباس و استفاده از الياف خاص بوده است. در اكثر كارهاي انجام شده با اضافه و كم كردن لايه هاي لباس سعي بر متعادل نمودن شرايط پوششي لباس با محيط شده است كه اين كار با ايجاد عايق حرارتي استاتيك(ايستا)، معمولاً  افزايش ضخامت و وزن را به لباس تحميل مي‌كند، ضمن اينكه شرايط بدن (نرخ متابوليك و سطح فعاليت بدن) در آن ناديده گرفته شده است. به طور معمول در اين موارد هدف اصلي محافظت بدن در برابر سرما يا گرما بوده و نقش راحتي گرمايي لباس ناديده گرفته شده است.

همانطور كه اشاره شد يكي از مواردي كه در مبحث طراحي البسه كمتر به آن پرداخته شده است، توجه به راحتي گرمايي(ترمو فيزيولوژيكي) است. به عبارت ديگر تمركز توجهات به سمت افزايش نقش حفاظتي لباس، باعث شده است كه نقش راحتي لباس ناديده گرفته شود بطوريكه معمولاً  افزايش سطح حفاظتي لباس همراه با كاهش راحتي لباس مي باشد.

در مورد راحتي ترموفيزيولوژيكي لباس، پارامترهاي زير بسيار تاثيرگذار هستند و بايد مورد توجه قرارگيرند:

• شرايط محيطي كه لباس موردنظر براي آن شرايط طراحي شده است(به طور مثال لباس مناطق سرد)
• خصوصيات سيستم (لايه‌هاي) لباس( به طور عمده عايق حرارتي لباس)
• وضعيت بدن و سطح فعاليت بدن شخص پوشنده لباس و ميزان گرماي توليد شده يا ازدست رفته با توجه به نرخ متابوليك بدن.

هنگاميكه مجموع شرايط فوق براي طراحي يك لباس درنظرگرفته شود، نقش راحتي گرمايي لباس در كنار نقش حفاظتي آن افزايش خواهديافت]6،5[.

 

منسوجات داراي مواد تغييرفازدهنده (PCM)كه به سرعت با تغيير دماي محيط و دماهاي مناطق مختلف بدن واكنش نشان مي‌دهند، مي‌توانند راه حل مناسبي براي حل مشكلات فوق الذکر باشند. تغيير فاز،‌ فرايند تغيير از يك حالت فيزيكي به حالت ديگر مثلاً جامد به مايع و برعكس مي‌باشد که جهت كاربرد در صنعت نساجي، معمولاً مواد تغييرفازدهنده به صورت ميكروكپسول‌هايی در ساختار منسوج بكارگرفته مي‌شوند. با افزایش دما، مواد تغييرفازدهنده درون ميكروكپسول با جذب گرما و ذخيره اين انرژي، به مايع و با کاهش دما،  انر‍ژي ذخيره شده آزاد و مواد تغييرفازدهنده به جامد تبديل مي شوند. اين خاصيت، قابليت عايق حرارتي منسوج را بهبود مي‌بخشد كه منجر به متفاوت ساختن بیشتر اين قابليت نسبت به خصوصيات عايقي ساير مواد می‌گردد. منسوج حاوي اين مواد علاوه بر عايق استاتيك معمولي، داراي عايق ديناميك نيز مي‌باشد كه درنتيجه جذب و نشر گرما بدست مي آيد.

طبق گزارشات شیم و همکارانش، مواد تغییرفازدهنده در محیط سرد، گرمای ازدست‌رفته بدن را به‌طور میانگین w5/6 در یک لباس تک لایه و w2/13 در یک لباس دولایه، کاهش خواهدداد]7[. ینگ و همکارانش کاری را برای ارزیابی کارایی تنظیم‌کنندگی دمایی منسوجات حاوی مواد تغییرفازدهنده، انجام‌دادند.

به‌طور خلاصه، اکثر تحقیقات بر روی ارتباط بین تاثیر تنظیم‌کنندگی دما و میزان بکاررفتن PCM روی لباس انجام‌گرفته‌است. تحقیقات اندکی به بررسی تاثیر PCM بر روی پاسخ‌گویی‌های فیزیولوژیکی بدن انسان پرداخته است. این مقاله جهت تاثیر بکارگیری PCM روی پاسخ‌گویی فیزیولوژیکی بدن انسان در یک سیستم لباس محافظ هوای سرد، متمرکز شده‌است.

 

روش تحقیق

3 فرد مذکر سالم انتخاب‌شده و موافقت کردند تا در این تحقیق شرکت‌کنند. خصوصیات این افراد در جدول 1 ارائه شده است:

 

جدول1- خصوصیات فیزیکی شرکت‌کنندگان

سن(سال)	قد(m)	وزن(Kg)
28±0.5	1.77±0.4	70.5±2.5

آزمایشات در یک اتاقک با دمای کنترل‌شده  °c 5/0 ± 5- و سرعت هوا کمتر از m/s1/0 انجام گرفت.

 

اندازه‌گیری‌ها

دمای پوست و رطوبت روی سمت چپ سینه، زیر بازوی چپ و مچ دست چپ، اندازه‌گیری و سیستم سنسوری PLC2B برای اندازه‌گیری دما و رطوبت نسبی روی سطح پوست افراد شرکت کننده بکارگرفته‌شد.

 

سیستم لباس

در این مقاله، دو نوع سیستم لباس یکی بدون PCM (سیستم A) و دیگری حاوی PCM (سیستم B)مورد آزمایش قرارگرفته شد. ساختار دو سیستم لباس به‌طور مشابه طراحی شدند به گونه‌ای که هر سیستم متشکل از 3 لایه بود. لایه اول لباس زیر، لایه دوم پیراهن و لایه سوم کاپشن. تنها تفاوت بین سیستم A و B در لایه سوم بود به‌طوریکه لایه بی‌بافت در سیستم A بدون PCM و در سیستم B حاوی PCM بود. خصوصیات دو لایه بی‌بافت در جدول2 ارائه گردیده‌است.

 

جدول2- خصوصیات لایه‌های بی‌بافت

ویژکی	وزن خالص (gr/m2)	درصد PCM (%)	نوع بی‌بافت	نقطه ذوب PCM
بی‌بافت بدون PCM	100	0	پلی استر	–
بی‌بافت حاوی PCM	100	30	پلی استر	18°c

 

 

پروتکل تست

همه آزمایشات در صبح و در یک زمان خاص انجام‌گرفت. قبل از ورود به اتاقک، سنسورهای اندازه‌گیری دما و رطوبت سطح پوست، به یک چسب مخصوص پزشکی آغشته‌شدند. شرکت‌کننده‌ها لباس‌ها را پوشیده و وارد اتاقک شدند. افراد برای مدت 20دقیقه روی صندلی نشسته و سپس از آن‌ها خواسته‌شد با سرعت km/hr5 به مدت 20 دقیقه روی تردمیل راه‌ بروند. سپس افراد به مدت 20 دقیقه به استراحت پرداختند. در انتهای آزمون، شرکت‌کننده‌ها به بیرون اتاقک هدایت‌شده و سنسور‌ها از بدنشان برداشته‌شد.

 

نتایج و بحث

دما در نقاط مختلف پوست بدن(مچ دست، سینه و زیربازو) با روش‌های مشابه مورد آنالیز قرارگرفت. نتایج در شکل‌های 1 تا 3 خلاصه‌شده‌است.

 

 

شکل1-  نمودار دما- زمان در مچ دست

شکل2-  نمودار دما- زمان در سمت چپ سینه

شکل3- نمودار دما- زمان در زیر بازوی چپ

شکل‌های 1 تا 3 نشان ‌می‌دهند که در 20 دقیقه اول دوره استراحت، دمای همه قسمت‌ها هنگامیکه سیستم لباس B پوشیده‌شده‌است، بالاتر از زمانی ‌است که سیستم A پوشیده ‌شده‌است. هنگامیکه شرکت‌کننده‌ها وارد اتاقک می‌شوند، دمای بدن آنها کاهش می‌یابد. اما نرخ کاهش دما هنگامیکه سیستم A پوشیده‌شود بالاتر از هنگامی ‌است که سیستم B پوشیده ‌شده‌است. در 20 دقیقه پیاده‌روی، دما هنگامیکه سیستم B پوشیده‌ شده‌است، پایین‌تر از هنگامی ‌است که سیستم A است. هنگامیکه سیستم ‌B پوشیده شده‌است، نرخ افرایش دما کمتر از وقتی ‌است که سیستم A پوشیده‌شده‌است. مقدار پیک دما هنگامیکه سیستم B پوشیده‌شده‌است، کمتر از سیستم A می‌باشد. در زمان ریکاوری(استراحت دوم)، هنگامیکه سیستم B مورداستفاده ‌قرارگرفته‌است، دما بالاتر از هنگام استفاده از سیستم A می‌باشد. هنگامیکه سیستم B پوشیده‌شده‌است، نرخ کاهش دما کمتر از هنگامی ‌است که سیستم A مورد استفاده‌قرار‌گرفته‌است.

رطوبت نسبی در قسمت‌های مختلف بدن(سینه چپ و زیر بازوی چپ) مورد تجزیه و تحلیل قرارگرفت. نتایج در شکل‌های 4 و5 نشان‌داده‌شده‌است.

شکل4-  نمودار رطوبت نسبی- زمان در سینه چپ

شکل5-  نمودار رطوبت نسبی- زمان در زیر بازوی  چپ

 

شکل‌های 4 و 5 نشان ‌می‌دهند که رطوبت نسبی همه قسمت‌ها هنگامیکه سیستم B پوشیده‌شده‌است، در تمام طول آزمون نسبت به هنگامیکه سیستم A پوشیده ‌شده‌است، کاهش‌می‌یابد. این نتایج نشان می‌دهند که هنگام استفاده از سیستم B، بدن عرق کمتری را تولیدکرده‌است.

نتایج هر دو آزمون دما و رطوبت نشان می‌دهد که PCM تاثیر تنظیم‌کنندگی دمای بدن را دارد.

 

 

نتیجه‌گیری

نتایج تجربی نشان‌داد که بکارگیری PCM در سیستم لباس، تاثیر تنظیم‌کنندگی دمایی دارد و دما و رطوبت لباس و بدن را بهبود می‌بخشد. PCM نرخ تغییر دمای پوست را کاهش داده و تاثیرات دمایی تحمیل‌شده به دلیل تغییرات محیطی یا فعالیت بدنی را کاهش می‌دهد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2- Thermo regulating