علم پشت خز مصنوعی: چگونه شرپا شما را در هوای زیر- گرم نگه می‌دارد

مقدمه
در طول تاریخ بشر، بقا در اقلیم‌های زیر{0}00 مستقیماً به توانایی ما در تکرار سازگاری‌های تکاملی حیات وحش قطب شمال بستگی دارد. برای هزاران سال، جمعیت های بومی به طور کامل به پوسته های کاریبو، خرس های قطبی و گوسفند برای حرکت در محیط های یخ زده متکی بودند. در حالی که این پوست‌های طبیعی عایق بی‌نظیری را ارائه می‌کردند، به روش‌های پیچیده نگهداری نیاز داشتند، مقیاس‌پذیری نداشتند و نگرانی‌های اخلاقی و زیست‌محیطی قابل‌توجهی در دوران مدرن ایجاد کردند. وارد حوزه بیومیمیکری پیشرفته نساجی شوید. در طول چند دهه گذشته، علم مواد جهش های عظیمی انجام داده است و به مهندسان اجازه می دهد تا هندسه ساختاری پیچیده خز حیوانات را با استفاده از پلیمرهای مصنوعی تکرار کنند.
یکی از موفق‌ترین نوآوری‌ها در این زمینه، پارچه شرپا است، دسته‌ای تخصصی از خزهای مصنوعی سنگین-که برای تقلید از بافت چین دار و عایق پشم گوسفند بره طبیعی طراحی شده است. عملکرد این ماده در هوای زیر صفر، در حالی که اغلب صرفاً به دلیل زیبایی شناختی آن مورد قدردانی قرار می گیرد، تحت تأثیر متقابل شگفت انگیزی از شیمی پلیمر، مهندسی سازه و اصول ترمودینامیکی است. این منسوجات مهندسی شده چه به عنوان پوششی برای ژاکت های فنی آلپاین و چه به عنوان یک پتوی ممتاز شرپا در خانه های زمستانی پرطرفدار، به عنوان یک سپر حرارتی پیچیده عمل می کند. با تجزیه و تحلیل علم پشت ساخت الیاف و قابلیت‌های{5}}به دام انداختن هوا، می‌توانیم دقیقاً کشف کنیم که این شگفت‌انگیز مدرن چگونه پلاستیک‌های مصنوعی را به سدی غیرقابل نفوذ در برابر سخت‌ترین سرما تبدیل می‌کند.

مهندسی بیومیمیک و پلیمر: همانندسازی مصنوعی خز حیوانات قطبی
دانشمندان نساجی برای ساختن یک خز مصنوعی با کارایی بالا-که قادر به تحمل دمای زیر-صفر باشد، ابتدا باید به معماری تکاملی جانوران قطبی نگاه کنند. حیوانات قطبی برای گرم ماندن به الیاف متراکم و جامد متکی نیستند. درعوض، نمای خز آنها با ترکیبی از موهای محافظ درشت،{3}}دافع آب و یک پوشش فوق‌العاده متراکم، چین‌دار و اغلب توخالی مشخص می‌شود. امواج و چین خوردگی در پشم و خز طبیعی میلیون ها جیب ریز و میکروسکوپی ایجاد می کند که از خروج گرما جلوگیری می کند.
پارچه شرپا مدرن این مشخصات عملکردی دقیق را از طریق مهندسی دقیق پلیمر به دست می آورد. ماده اساسی تقریباً برای همه شرپاهای درجه بالا، پلی اتیلن ترفتالات (PET) است، دسته ای قوی و همه کاره از پلی استر، که گاهی با الیاف پلی اکریلونیتریل (اکریلیک) مخلوط می شود. پلی استر به دلیل پایداری شیمیایی ذاتی، استحکام کششی عالی و مقاومت بالا در برابر تخریب محیطی انتخاب شده است. با این حال، پلی استر خام به طور طبیعی نرم و صاف است. رزین های پلیمری خام برای تبدیل آن به یک عایق-با کارایی بالا باید تحت یک فرآیند اکستروژن تخصصی قرار گیرند.
در طول اکستروژن، پلیمر ذوب شده از طریق صفحات اسپینرهای صنعتی{0} با سوراخ‌های میکروسکوپی که رشته‌های حاصل را شکل می‌دهند، وارد می‌شود. برای بهینه سازی عملکرد حرارتی، دانشمندان هندسه این سوراخ ها را دستکاری می کنند. اسپینرهای پیشرفته به جای تولید الیاف دایره ای و جامد، رشته های توخالی-هسته ای یا الیاف ریز{4}} را تولید می کنند که به طور قابل توجهی نازک تر از موی انسان هستند.
گنجاندن یک هسته توخالی در داخل رشته های مصنوعی منفرد، ساختار ساختاری خز خرس قطبی را تکرار می کند و یک محفظه داخلی از هوای محبوس شده در خود فیبر ایجاد می کند. علاوه بر این، این الیاف تحت فرآیندهای چین‌خوردگی مکانیکی قرار می‌گیرند که پیچ‌خوردگی‌ها و امواج میکرو{1}}در مقیاس دائمی را در طول هر رشته ایجاد می‌کند و تضمین می‌کند که هرگز کاملاً صاف روی یکدیگر قرار نخواهند گرفت.
 

معماری شمع: به حداکثر رساندن فضاهای هوایی مرده
عملکرد حرارتی پتوی شرپا یا روکش کتی در هوای سرد- توسط ضخامت مواد پلاستیکی جامد تعیین نمی‌شود، بلکه بیشتر با توجه به حجم فضای خالی موجود در ساختار آن تعیین می‌شود. در حوزه ترمودینامیک، مواد جامد به طور کلی رسانای عالی گرما هستند. برعکس، هوا یک رسانای فوق العاده ضعیف گرما است، به شرطی که بتوان آن را کاملاً ثابت نگه داشت. اگر اجازه داده شود هوا آزادانه حرکت کند، گرما را به سرعت از طریق همرفت منتقل می کند. بنابراین، هدف اولیه هر نساجی زیر{5}}به دام انداختن حجم عظیمی از هوا و ثابت کردن آن است-، پدیده‌ای که در فیزیک به عنوان "هوای مرده" شناخته می‌شود.
پارچه شرپا با معماری منحصر به فرد بافندگی مکانیکی خود به نسبت فوق العاده ای از هوای مرده به ماده جامد دست می یابد. این پارچه بر روی ماشین‌های بافندگی دایره‌ای تخصصی تولید می‌شود که به طور همزمان دو لایه به هم پیوسته را می‌سازند: یک پشته بافتنی مسطح و بسیار پایدار و یک سطح چگال-حلقه‌ای. همانطور که دستگاه لایه پشتی را می‌بافد، حلقه‌های دراز نخ‌های پلی استر چین‌خورده را از طریق زیرلایه به سمت بالا می‌کشد. سپس این حلقه‌ها از ایستگاه‌های برش و برس مکانیکی با سرعت بالا عبور می‌کنند. تیغه‌های برش نوک حلقه‌ها را باز می‌کنند، در حالی که برس‌های سیمی سنگین، رشته‌های چین‌خورده را بیرون می‌کشند و کرک می‌کنند و حلقه‌های یکنواخت را به یک ماتریس پشمی متراکم، در هم‌پیچیده و مجعد تبدیل می‌کنند.
این سطح کرکی و برجسته از نظر فنی به عنوان پرز پارچه شناخته می شود. بررسی میکروسکوپی یک شمع شرپا ممتاز، جنگل انبوهی از الیاف چین خورده و تصادفی را نشان می‌دهد. از آنجایی که الیاف به طور دائمی چین و خراشیده می شوند، به یکدیگر فشار می آورند و ساختاری سه بعدی-بالا و سه- را حفظ می کنند که در برابر فرو ریختن تحت وزن خود مقاومت می کند.
میلیون ها شاخه مصنوعی متقاطع، پیچ و خم پیچیده ای از لایه های مرزی میکروسکوپی ایجاد می کنند. هنگامی که انرژی حرارتی از بدن انسان به بیرون تابش می کند، به این پیچ و خم برخورد می کند. هوای راکد محبوس شده در داخل توده، انرژی حرارتی را جذب می کند و تا زمانی که با دمای پوست بدن مطابقت پیدا کند گرم می شود. از آنجایی که حفره‌های هوا بسیار کوچک و جدا از یکدیگر هستند، جریان‌های همرفتی نمی‌توانند در داخل شمع ایجاد شوند و یک مانع عایق بسیار کارآمد ایجاد می‌کنند که مانع از رسیدن هوای خارجی زیر{3}}به پوست می‌شود.
آزمایشگاه‌های نساجی این ظرفیت عایق را با استفاده از معیارهایی مانند مقدار Clo یا رتبه‌بندی Tog تعیین می‌کنند که مقاومت یک ماده در برابر اتلاف حرارت خشک را اندازه‌گیری می‌کند. شرپا ممتاز به دلیل پیکربندی دوبل-برس‌شده و بلند- خود، برخی از بالاترین نسبت‌های کلو-به{4}} را در صنعت نساجی مصنوعی نشان می‌دهد و حداکثر حفاظت حرارتی را بدون نیاز به جرم خفه‌کننده و سنگین پارچه‌های پشمی سنگین سنتی ارائه می‌کند.
 

ترمودینامیک در آب و هوای زیر صفر{{0}: مدیریت رطوبت و انعطاف پذیری باد
زنده ماندن در محیط‌های زیر{0}}صفر واقعی فراتر از به دام انداختن گرما است. این نیاز به مدیریت رطوبت و دینامیک محیطی دارد. در دماهای انجماد، رطوبت یک تهدید کشنده برای تعادل حرارتی است. اگر پارچه ای آب را جذب کند-چه از برف بیرونی و چه از عرق خود پوشنده{4}}آب جایگزین هوای مرده محبوس شده در ماتریس پارچه می شود. از آنجایی که آب تقریباً بیست-پنج برابر سریع‌تر از هوای ساکن گرما را هدایت می‌کند، یک پتو یا ژاکت مرطوب به سرعت گرما را از بدن خارج می‌کند و در عرض چند دقیقه باعث ایجاد هیپوترمی می‌شود.
اینجاست که ماهیت آبگریز پلی استر به پتوی شرپا برتری متمایز نسبت به جایگزین های طبیعی مانند پنبه یا پشم استاندارد می دهد. الیاف پلی استر سرعت بازیابی رطوبت بسیار پایینی دارند و از نظر ساختاری کمتر از یک درصد وزن خود را در آب جذب می کنند. به جای جذب رطوبت در هسته فیبر، ماتریس مصنوعی از عمل مویرگی برای فشار دادن آب مایع در امتداد سطوح بیرونی رشته‌ها استفاده می‌کند و آن را از بدن به سمت لبه بیرونی پارچه می‌کشد تا تبخیر شود.
علاوه بر این، شرپا ممتاز دارای نفوذپذیری بخار یا تنفس عالی است. در هوای زیر-صفر، فردی که زیر پتو استراحت می‌کند همچنان بخار آب محیط را از طریق پوست آزاد می‌کند. اگر یک پتو متخلخل- نباشد، این بخار به سد بیرونی سرد برخورد می‌کند، به آب مایع متراکم می‌شود و یک ریزاقلیم سرد و لطیف ایجاد می‌کند. ساختار باز و بافتنی شرپا به این بخار اجازه می دهد بدون متراکم شدن از مناطق مرده هوا عبور کند و محیط خواب را خشک، گرم و راحت نگه می دارد.
با این حال، طبیعت بسیار متخلخل که شرپا را به طور استثنایی تنفس می‌کند، یک آسیب‌پذیری را نیز معرفی می‌کند: حساسیت به نفوذ باد. در یک سناریوی بقای زیر-در فضای باز، یک باد شدید می‌تواند مستقیماً از میان توده‌های شرپا در معرض وزش، لایه هوای مرده را که به دقت انباشته شده است از بین ببرد. برای مقابله با این، مهندسان نساجی از یک پیکربندی ترکیبی استفاده می کنند.
هنگامی که شرپا در{0}پتوهای فضای باز یا کت‌های زمستانی با کارایی بالا تولید می‌شود، خز مصنوعی مجعد لمینت می‌شود یا به طور ایمن به پارچه‌ای محکم بافته شده و مقاوم در برابر باد، مانند بوم پنبه‌ای سنگین، نایلون ریپس‌استاپ{2} میکروسوی متراکم{2} می‌چسبد. در این سیستم کامپوزیتی، پارچه متراکم بیرونی به عنوان بادشکن عمل می‌کند و انرژی جنبشی باد زیر{4}}صفر را مسدود می‌کند، در حالی که شمع شرپا داخلی بدون مزاحمت عمل می‌کند و لایه مرزی حیاتی خود را از هوای گرم ثابت در برابر بدن حفظ می‌کند.
 

طول عمر و مراقبت عملی: حفظ ماتریس حرارتی
درخشش علمی پارچه شرپا کاملاً به حفظ ساختار فیزیکی آن بستگی دارد. در لحظه ای که الیاف پلی استر ریز و چین دار پشت خود را از دست می دهند و صاف می شوند، فضاهای هوای مرده میکروسکوپی فرو می ریزند و مقاومت حرارتی مواد به شدت کاهش می یابد. برای تولیدکنندگان صنعتی و مصرف کنندگان به طور یکسان، درک نحوه حفظ این ماتریس میکروسکوپی برای عملکرد بلند مدت محصول ضروری است.
دشمنان دوقلوی طول عمر حرارتی شرپا اصطکاک مکانیکی و استرس حرارتی هستند. از آنجایی که پلی استر یک پلیمر ترموپلاستیک است، ماتریس ساختاری آن را می توان به راحتی توسط لوازم خانگی تغییر داد. شستن محصول شرپا در آب داغ یا خشک کردن آن روی حرارت{2} بالا باعث می‌شود که نوک‌های ظریف رشته‌های مصنوعی به نقطه نرم شدن خود برسند. پس از نرم شدن، الیاف حافظه فشرده خود را از دست می‌دهند، صاف می‌شوند و به یک سطح سخت و خراشدار تبدیل می‌شوند. این فروپاشی ساختاری حباب های هوای کوچک را از بین می برد و برای همیشه راحتی و ظرفیت عایق بودن مواد را از بین می برد.
برای حفظ ماتریس حرارتی، استانداردهای صنعتی شست و شو در آب سرد را در یک چرخه ملایم برای کاهش اصطکاک فیبر، و به دنبال آن خشک کردن با هوا یا استفاده از چرخه حرارتی صفر{{0} دیکته می کنند. تمیز نگه داشتن الیاف از نظر شیمیایی و عاری از باقی مانده از مواد شوینده سنگین یا سیلیکون های تجاری، تضمین می کند که رشته های جداگانه می توانند به طور مستقل حرکت کنند و به حداکثر رساندن سقف پارچه و توانایی آن در به دام انداختن هوا.
با پیشرفت صنعت نساجی، علم مواد نیز به ردپای زیست محیطی این محصولات مصنوعی با کارایی بالا می‌پردازد. آینده عایق خز مصنوعی در توسعه PET بازیافتی (rPET) است که از پلاستیک های پس از مصرف{2}}منبع می شود، که عملکرد ترمودینامیکی یکسانی را ارائه می دهد و در عین حال مصرف انرژی را در طول تولید کاهش می دهد.
علاوه بر این، محققان در حال آزمایش با پلیمرهای مصنوعی زیست تخریب‌پذیر هستند که همان حفاظت-بالا و آبگریز را در محیط‌های زیر-صفر می‌دهند، اما در پایان چرخه عمر خود به طور طبیعی تجزیه می‌شوند و تضمین می‌کنند که نسل بعدی گرمای عملکرد هم از نظر علمی پیشرفته و هم از نظر زیست‌محیطی مسئول است.
 

نتیجه گیری
گرمای قابل توجه ارائه شده توسط پارچه شرپا در آب و هوای زیر{0}}صفر، پیروزی علم نساجی مدرن است. با ترکیب اصول بیومیمیک طبیعی با مهندسی پلیمر پیشرفته، دانشمندان مواد محصولی را ایجاد کرده‌اند که از پا تا پا با مؤثرترین عایق‌های طبیعی موجود در قلمرو حیوانات است. از طریق اکستروژن دقیق پلیمرهای پلی استر آبگریز و اجرای معماری های بافتنی دایره ای پیچیده، این ماده محیطی را ایجاد می کند که در آن قوانین ترمودینامیک کاملاً به نفع آسایش انسان عمل می کند.
راز واقعی عملکرد شرپا در توانایی آن در تسلط بر نامرئی نهفته است: گرفتن، نگه داشتن و بی حرکت کردن هوای محیط که توسط بدن خودمان گرم شده است. هنگامی که در یک پتوی ممتاز شرپا پیچیده می‌شوید، در زیر یک ماتریس حرارتی بسیار پیچیده و چند لایه استراحت می‌کنید-که رطوبت را دفع می‌کند، تبادل بخار را تسهیل می‌کند و یک دیوار دفاعی پایدار در برابر دمای یخ‌زدگی خارجی می‌سازد. همانطور که منسوجات فنی به تکامل خود ادامه می دهند، مهندسی حساب شده پشت پارچه شرپا نمونه درخشانی از این است که چگونه نوآوری بشر می تواند حکمت طبیعت را مطالعه کند و آن را بازسازی کند و پناهگاهی قابل دسترس، قابل اعتماد و فوق العاده دنج در برابر خشن ترین عناصر روی زمین ارائه دهد.