Tác giả: ThS. Dương Phương Thảo
Đơn vị: Khoa Công nghệ Dệt May
1. Giới thiệu chung
Sản phẩm cơ bản của ngành dệt may là quần áo với chức năng chủ yếu là bảo vệ cơ thể, đem lại giá trị thẩm mỹ và là một phần không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ và sự thay đổi về nhu cầu sử dụng, vật liệu và sản phẩm dệt may thông minh ngày càng được chú trọng nghiên cứu và phát triển rên toàn thế giới.
Vải thông minh còn được gọi là vải kỹ thuật hoặc vải công nghệ cao, là loại vải được tích hợp với các công nghệ và tính năng tiên tiến. Nhờ sự kết hợp giữa ngành dệt may truyền thống và công nghệ thông tin, sản phẩm dệt may thông minh ra đời với khả năng cung cấp các tính năng đặc biệt như: chống nước, chống nắng, chống tia cực tím, chống bám bẩn, điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm, kháng khuẩn, và nhiều tính năng khác. Sản phẩm dệt may thông minh có hiệu suất và chức năng vượt trội cho các ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp hơn như quân sự, chăm sóc sức khỏe, đồ thể thao, thời trang, và công nghiệp hàng không vũ trụ... Sản phẩm dệt may thông minh cũng có thể được gọi là sản phẩm dệt may thế hệ mới.
Phân loại sản phẩm dệt may thông minh:
Có thể phân loại sản phẩm dệt may thông minh thành hai loại chính là thẩm mỹ và hiệu suất. Sản phẩm dệt may thông minh thẩm mỹ sử dụng công nghệ để thiết kế thời trang như khả năng phát sáng theo hoa văn hoặc có khả năng hiển thị hình ảnh và video hoặc thay đổi màu sắc. Về hiệu suất, sản phẩm dệt may thông minh lại được phân thành ba loại chính là vải thông minh thụ động, vải thông minh chủ động và vải siêu thông minh [1].
Vải thông minh thụ động chỉ có thể cảm nhận môi trường, vì chúng có trang bị cảm biến. Quần áo chống tia UV, sợi dẫn điện, quần áo được xử lý bằng plasma, vải chống thấm nước… là những ví dụ điển hình của sản phẩm dệt may thông minh thụ động. Loại vải này không thay đổi khi điều kiện môi trường thay đổi.
Ví dụ: Một loại vải làm mát có thể giúp điều chỉnh nhiệt độ. Nhưng nó không chủ động cung cấp sự mát mẻ mà chỉ đơn giản là giúp bạn giải phóng mồ hôi nhanh hơn nhờ cấu tạo của sản phẩm dệt may. Tương tự như vậy đối các loại vải sử dụng công nghệ nano chống tia cực tím, kháng khuẩn và dẫn điện hoặc chống tĩnh điện.
Vải thông minh chủ động là loại vải đặc biệt có khả năng thích ứng và thay đổi chức năng trước những thay đổi của môi trường bên ngoài hoặc để đáp ứng mục đích của người dùng, có thể cảm nhận và phản ứng với các điều kiện hoặc kích thích của môi trường, từ các nguồn cơ học, nhiệt, từ, hóa học, điện hoặc các nguồn khác; bên cạnh chức năng cảm biến, chúng còn có chức năng truyền động. Vật liệu biến đổi pha, vật liệu ghi nhớ hình dạng và thuốc nhuộm cảm ứng nhiệt là các ứng dụng vải thông minh chủ động [1].
Trong khi vải thông minh thụ động thường dựa vào cấu trúc sợi vải để hoạt động thì vải thông minh chủ động thường được xử lý bằng các yếu tố kỹ thuật số, cho phép vải thông minh cảm nhận xúc giác và nhiệt độ, cũng như xử lý những thông tin liên quan đến môi trường bên ngoài.
Hình 1. Vải chứa sợi dẫn điện
Nguồn: Internet
Các ví dụ khác về vải thông minh bao gồm vải có khả năng giải phóng thuốc hoặc chất dưỡng ẩm vào da, vải giúp kiểm soát độ rung của cơ trong các hoạt động thể thao và vật liệu điều chỉnh nhiệt độ cơ thể.
Vải siêu thông minh là thế hệ thứ ba của vải thông minh, vải có thể cảm nhận, phản ứng và thích nghi với các điều kiện hoặc kích thích từ môi trường. Về cơ bản, vải siêu thông minh hoặc thông minh bao gồm một đơn vị hoạt động giống như não bộ, có khả năng nhận thức, suy luận và kích hoạt. Việc sản xuất vải siêu thông minh hiện đã trở thành hiện thực sau khi kết hợp thành công công nghệ dệt may truyền thống với các ngành khoa học khác như khoa học vật liệu, cơ học kết cấu, công nghệ cảm biến, truyền động, công nghệ xử lý tiên tiến, truyền thông, trí tuệ nhân tạo, sinh học… [2].
Vật liệu dệt may mới cùng các linh kiện điện tử thu nhỏ giúp việc tạo ra vải thông minh trở nên khả thi, nhằm tạo ra những bộ quần áo thông minh thực sự hữu ích. Những bộ quần áo thông minh này được mặc như quần áo thông thường, hỗ trợ trong nhiều tình huống khác nhau tùy theo các ứng dụng được thiết kế.
2. Chức năng của sản phẩm dệt may thông minh
Sản phẩm dệt may thông minh là một hệ thống thông minh có khả năng cảm nhận hoặc truyền đạt các điều kiện môi trường và có thể phát hiện, xử lý tình trạng cơ thể của người mặc. Chúng có thể sử dụng các hệ thống phát hiện điện, nhiệt, cơ học, hóa học, từ tính và các hệ thống khác để phát hiện những thay đổi từ môi trường hoặc cơ thể người mặc. Vật liệu điện tử được tích hợp trên quần áo thông minh nhưng không được làm giảm sự thoải mái của quần áo bằng vật liệu dệt may tiêu chuẩn. Sản phẩm dệt may thông minh được coi là hệ thống máy tính đơn giản và có năm chức năng cơ bản là cảm biến, xử lý dữ liệu, truyền động, lưu trữ và giao tiếp. Nhưng nó phải tương thích với chức năng của quần áo như thoải mái, độ bền, chống chịu được các quy trình bảo dưỡng sản phẩm dệt may thông thường… [1].
Hình 2. Các chức năng chính của sản phẩm dệt may thông minh [1]
a) Cảm biến
Cảm biến cho phép chuyển đổi một loại tín hiệu này thành một loại tín hiệu khác. Đã có các sản phẩm dệt may thông minh có khả năng đo nhịp tim, nhịp thở, nhiệt độ, chuyển động và độ ẩm. Ở giai đoạn hiện tại của sản phẩm dệt may thông minh, các cảm biến được sản xuất từ vật liệu dệt may và các cảm biến nhạy cảm với nhịp tim, hơi thở và chuyển động đã được sản xuất với kết quả khả quan. Ngoài ra còn có các vật liệu và cấu trúc vải khác nhau cũng có khả năng chuyển đổi tín hiệu:
-
Cảm biến nhiệt: cảm biến nhiệt phát hiện sự thay đổi nhiệt; ví dụ, nhiệt điện trở thay đổi do thay đổi nhiệt, một ví dụ khác, hiđrogen khi phản ứng với kích thích sẽ phồng lên để phản ứng với sự thay đổi nhiệt.
-
Cảm biến ánh sáng: các cảm biến này chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện áp đầu ra; ví dụ, điện trở quang.
-
Cảm biến âm thanh: chuyển đổi âm thanh thành tín hiệu điện; ví dụ, vật liệu áp điện.
-
Cảm biến độ ẩm: các cảm biến này đo độ ẩm tuyệt đối hoặc tương đối; một ví dụ thú vị là thiết bị điện dung thay đổi các đặc tính điện môi khi hấp thụ độ ẩm.
-
Cảm biến áp suất: các cảm biến này chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện, cảm biến áp suất có thể dựa trên các thao tác đơn giản như mở hoặc đóng mạch nhưng chúng cũng có thể dựa trên các dạng phức tạp hơn như hiện tượng điện dung hoặc áp điện.
Vật liệu chức năng tiên tiến:
-
Cảm biến ứng suất: các cảm biến này chuyển đổi ứng suất thành tín hiệu điện, cảm biến ứng suất có thể dựa trên vật liệu bán dẫn, cấu trúc cảm biến ứng suất hoặc hiệu ứng áp điện.
-
Cảm biến hóa học: đây là một loạt cảm biến phát hiện sự hiện diện của nồng độ hóa chất hoặc các hóa chất.
-
Cảm biến sinh học: là thiết bị cảm biến chứa các thành phần sinh học, là thành phần cảm biến chính, thành phần này phản ứng bằng cách thay đổi đặc tính đối với chất phân tích đầu vào; ví dụ, cảm biến nồng độ glucose trong máu [1].
b) Xử lý dữ liệu
Xử lý dữ liệu là một trong những thành phần chỉ cần thiết khi cần xử lý tích cực. Theo lý thuyết, cần phải xử lý mọi thông tin và dữ liệu đã thu thập và thu được đầu ra mong muốn. Do đó, để thu được đầu ra mong muốn bằng cách xử lý các thông số do cảm biến thu thập, cần có bộ xử lý phù hợp với mục đích có liên quan trong sản phẩm dệt may thông minh. Yếu tố xử lý thông tin chỉ cần thiết khi sản phẩm dệt may đang xử lý thông tin tích cực. Sự thay đổi của tín hiệu và phân tích tín hiệu là những vấn đề chính đối với bộ xử lý dữ liệu. Hơn nữa, năng lượng cần thiết cho bộ xử lý là một vấn đề khác gặp phải hiện nay. Vì các thành phần điện tử cần thiết cho năng lượng không đủ nhỏ và linh hoạt nên chúng khác với cấu trúc của sản phẩm dệt may. Yêu cầu chống thấm nước của các đơn vị năng lượng này và các đơn vị điện tử khác là một vấn đề khác. Tuy nhiên, những vấn đề này thường thấy nhiều hơn ở sản phẩm dệt may thông minh ứng dụng trong may mặc. Trong trường hợp của xe cộ, các yếu tố xử lý thông tin có thể được lắp bên trong xe [1].
c) Truyền tải
Bộ truyền tải là thiết bị được thiết kế để thực hiện hành động cần thiết theo tín hiệu từ cảm biến hoặc bộ xử lý. Các thiết bị này cũng được gọi là bộ truyền tải. Bộ truyền tải hoạt động theo hiệu ứng được gửi từ cảm biến và có thể bằng cách đầu tiên truyền hiệu ứng này qua bộ xử lý thông tin để thực hiện các đối tượng như di chuyển đối tượng, giải phóng vật liệu và tạo ra tiếng ồn. Vật liệu ghi nhớ hình dạng là ví dụ điển hình trong lĩnh vực này. Hợp kim ghi nhớ hình dạng có thể được tạo thành dưới dạng lưới.
Khả năng phản ứng với các thay đổi nhiệt của nó cho phép vật liệu ghi nhớ hình dạng được sử dụng làm bộ truyền tải và đáp ứng rất tốt các yêu cầu của sản phẩm dệt may thông minh. Một loại bộ truyền tải khác là vật liệu có khả năng giải phóng một số hóa chất trong một số điều kiện nhất định, có thể bị giữ lại trong các vi nang bảo vệ hoặc liên kết hóa học với polyme sợi [1].
d) Lưu trữ
Lưu trữ là một chức năng khác của sản phẩm dệt may thông minh. Mặc dù không phải là mục tiêu cơ bản, nhưng sản phẩm dệt may thông minh được cho là cần có dung lượng lưu trữ để tự hoạt động. Trong khi thông tin được lưu trữ trong sản phẩm dệt may thông minh thường là thông tin hoặc năng lượng, các ví dụ như sản phẩm dệt may có khả năng tiêm hoặc phát ra thuốc hoặc mùi cho thấy đơn vị lưu trữ này cũng sẽ phục vụ các khu vực khác nhau. Các đơn vị phát hiện, tính toán, bộ truyền tải và giao tiếp thường cần năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện. Nguồn năng lượng cần thiết cho hoạt động của cảm biến, bộ xử lý và hệ thống chuyển động trong sản phẩm dệt thông minh nên được kết hợp với khả năng lưu trữ năng lượng. Ngày nay, đã có sẵn pin rất nhỏ và nhẹ, ngay cả khi những loại pin mềm dẻo được sản xuất, chúng vẫn chưa đủ hiệu suất và vẫn đang được phát triển. Mặt khác, nhu cầu năng lượng có thể đạt được dễ dàng hơn thông qua tiếp xúc trực tiếp với quần áo hoặc kết nối không dây [1].
e) Giao tiếp
Một trong những chức năng của sản phẩm dệt may thông minh là chức năng giao tiếp, được xác định theo loại và nhu cầu giao tiếp. Có nhiều loại giao tiếp trong sản phẩm dệt may thông minh. Trong các nguyên mẫu ngày nay, giao tiếp bên trong hàng may mặc được cung cấp bởi các sợi quang hoặc các dây dẫn điện mỏng. Chúng được dệt tự nhiên và có thể được đặt trong sản phẩm dệt may mà không cần khâu. Một giao thức giao tiếp cụ thể được tuân theo để giao tiếp với người mặc. Sợi quang được sử dụng để tạo ra màn hình quang học và France Telecom đã ứng dụng để sản xuất ra một chiếc áo len và một chiếc ba lô có màn hình quang học. Một giao thức giao tiếp khác trong sản phẩm dệt may thông minh là hệ thống truyền áp suất. Thông tin có thể được cung cấp cho hàng may mặc bằng vật liệu dệt nhạy cảm với áp suất và một thành phần xử lý dữ liệu cần xử lý các đơn hàng đã nhập này. Trong một số ứng dụng sản phẩm dệt may thông minh, việc phản ứng với các yếu tố môi trường rộng hơn là rất quan trọng. Ví dụ, có nhiều tình huống mà bộ trang phục được yêu cầu tương tác với phương tiện, điều đầu tiên khi giao tiếp giữa trang phục và phương tiện là vị trí mà nó tiếp xúc trực tiếp. Có thể đạt được kết nối không dây bằng cách tích hợp một ăng-ten vào bộ trang phục. Ăng-ten này được tích hợp vào quần áo. Ưu điểm chính của việc tích hợp ăng-ten vào sản phẩm may mặc là có thể sử dụng một khu vực rộng lớn để giao tiếp mà người dùng thậm chí không biết. Ví dụ, đối với bệnh nhân tim, trang phục thông minh có thể dự đoán các vấn sức khoẻ và cung cấp thông tin cho thiết bị hỗ trợ hoặc thậm chí gọi trợ giúp nếu cần thiết [1].
3. Một số sản phẩm dệt may thông minh
3.1. Vải ghi nhớ hình dạng
Hợp kim ghi nhớ hình dạng, chẳng hạn như niken - titan đã được phát triển để tăng khả năng bảo vệ chống lại các nguồn nhiệt. Hợp kim ghi nhớ hình dạng sở hữu các đặc tính khác nhau ở nhiệt độ thấp hơn và cao hơn nhiệt độ mà nó được kích hoạt. Ở nhiệt độ kích hoạt, hợp kim tác dụng lực để trở lại hình dạng đã áp dụng trước đó và trở nên cứng hơn nhiều. Nhiệt độ kích hoạt có thể được chọn bằng cách thay đổi tỷ lệ niken so với titan trong hợp kim (Hình 3).
Hợp kim đồng - kẽm có khả năng tạo ra sự thay đổi có thể đảo ngược cần thiết để bảo vệ khỏi các điều kiện thời tiết thay đổi. Polyme ghi nhớ hình dạng hoạt động tương tự như hợp kim Ni-Ti nhưng có độ mềm dẻo cao hơn, nhẹ hơn và dễ tích hợp vào vật liệu dệt. Polyme hoạt động điện EAP thường được tạo thành từ polyme có chức năng cao. Một trong những EAP nổi tiếng nhất là “Gel robot” được tạo thành từ axit poly 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic được nghiên cứu đầy đủ để ứng dụng trong việc thay thế cơ và gân [2].
Hình 3. Cấu tạo hoá học của vật liệu ghi nhớ hình dạng [2]
3.2. Vải đổi màu
Vải đổi màu là vật liệu dệt thông minh có khả năng thay đổi màu sắc với hiệu ứng kích thích bên ngoài. Chúng được tạo ra bằng cách kết hợp các vật liệu thay đổi màu sắc vào cấu trúc của vật liệu dệt. Vật liệu thay đổi màu sắc là vật liệu crom hoặc vật liệu tắc kè hoa. Có nhiều cơ chế thay đổi màu sắc khác nhau, nhưng chủ yếu là mật độ electron hoặc cấu trúc phân tử của vật liệu thay đổi do hiệu ứng kích thích bên ngoài và sự thay đổi màu sắc xảy ra; khi hiệu ứng kích thích biến mất, chúng trở lại trạng thái ban đầu, nơi chúng ổn định hơn và có được màu đầu tiên [1].
Vật liệu thay đổi màu sắc được chỉ định theo cơ chế hiệu ứng: ánh sáng, nhiệt, thay đổi pH, dung dịch, ma sát và áp suất là các thông số hiệu ứng cơ bản. Chúng cũng được gọi theo loại hiệu ứng là quang sắc (hiệu ứng ánh sáng), nhiệt sắc (hiệu ứng nhiệt), điện sắc (hiệu ứng điện), dung môi sắc (hiệu ứng dung dịch), halochromic (hiệu ứng pH), tribochromic (hiệu ứng ma sát), cơ học sắc (hiệu ứng áp suất).
Vật liệu crom có thể thay đổi màu sắc theo điều kiện bên ngoài. Những vật liệu này chủ yếu được sử dụng trong thời trang, để tạo ra các thiết kế đổi màu vui nhộn. Theo loại kích thích, vật liệu crom có thể được phân loại thành [2]:
Photo chromic: Kích thích bên ngoài là ánh sáng.
Thermo chromic: Kích thích bên ngoài là nhiệt.
Electro chromic: Kích thích bên ngoài là điện.
Piezoro chromic: Kích thích bên ngoài là áp suất.
Solvate chromic: Kích thích bên ngoài là chất lỏng hoặc khí.
Vải thông minh thay đổi màu sắc tùy thuộc vào các yếu tố môi trường; chúng quan trọng vì những lợi thế về mặt thẩm mỹ của chúng. Người ta cho rằng việc sử dụng vải đổi màu sẽ trở nên phổ biến hơn trong tương lai trong lĩnh vực thời trang và sẽ thay đổi màu sắc tùy thuộc vào nhiều hiệu ứng khác ngoài những hiệu ứng hiện có. Các ứng dụng dệt nhuộm quang sắc, nhiệt sắc, điện sắc và dung môi sắc có thể thấy trong thời trang và trang trí (áo phông, túi xách, mũ…).
3.3. Vật liệu dệt may biến đổi pha
Vật liệu dệt may biến đổi pha (PCM) với vật liệu nền là vật liệu dệt, về cơ bản đóng vai trò là vật liệu điều chỉnh nhiệt. Khi nhiệt độ nóng chảy của vật liệu đạt đến trong quá trình gia nhiệt, quá trình chuyển đổi từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng, tức là quá trình thay đổi pha xảy ra, trong đó vật liệu thay đổi pha hấp thụ và lưu trữ một lượng nhiệt lớn. Nhiệt độ của vật liệu biến đổi pha hầu như không đổi trong toàn bộ quá trình biến đổi pha. Trong quá trình làm mát cùng một vật liệu, nhiệt được lưu trữ được truyền đến môi trường và quá trình chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn diễn ra. Một lần nữa, nhiệt độ của vật liệu vẫn không đổi trong suốt quá trình thay đổi pha. Nếu sự thay đổi nhiệt độ tiếp tục ngoại trừ sự biến đổi pha, nhiệt độ của vật liệu cũng thay đổi.
Hình 4. Sơ đồ quá trình biến đổi pha [3]
Việc áp dụng các vật liệu biến đổi pha vào vật liệu dệt có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Các vật liệu thay đổi pha được vi nang hóa có thể được thêm vào cấu trúc của sợi tổng hợp trong quá trình kéo sợi, có thể được thêm vào cấu trúc không dệt hoặc có thể được phủ trên bề mặt dệt. Thiết kế sản phẩm cũng rất quan trọng trong tất cả các ứng dụng này. Ví dụ, khi thay đổi từ môi trường trong nhà ấm áp sang môi trường ngoài trời lạnh giá, người ta thấy rằng quần áo chứa vật liệu thay đổi pha có tác dụng làm nóng trung bình 12 - 15 phút tùy thuộc vào hàm lượng vật liệu biến đổi pha và điều kiện ngoài trời [1].
Nếu cấu trúc của quần áo không được thiết kế tốt, nhiệt cũng có thể tản ra từ vật liệu thay đổi pha. Khi chúng ta xem xét cách sử dụng của chúng, chúng đã được thương mại hóa trên giường và gối bệnh viện. Với tác dụng điều chỉnh nhiệt độ, chúng giữ nhiệt độ ở mức không làm phiền bệnh nhân và đảm bảo bệnh nhân không đổ mồ hôi và do đó góp phần vào quá trình chữa bệnh của bệnh nhân. Ngoài ra còn có các nghiên cứu về miếng dán làm nóng hoặc làm mát và chăn sưởi ấm để sử dụng trong lĩnh vực y tế. Trong các ca phẫu thuật dài hạn, có thể tạo ra sự thoải mái cho bác sĩ phẫu thuật bằng cách phủ một lớp vật liệu biến đổi pha ở mặt trong quần áo của họ để ngăn mồ hôi. Có các loại quần áo hàng ngày, đồ lót, giày dép và đồ thể thao được thương mại hóa có sử dụng vật liệu biến đổi pha [3].
Ngày nay, vật liệu biến đổi pha được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực dệt may cho nhiều loại sản phẩm khác nhau như quần áo, đồ lót, tất, giày dép, phụ kiện giường ngủ và túi ngủ. Đối với các sản phẩm đa chức năng, vật liệu này cũng được ứng dụng trong các mặt hàng đặc biệt như áo chống đạn, ô tô, y tế hoặc cho các ứng dụng công nghiệp khác [2].
Vật liệu dệt biến đổi pha (PCM) được sử dụng trong vải dệt nội thất ô tô như vỏ ghế. Các ứng dụng nội thất ô tô sử dụng parafin do khả năng lưu trữ nhiệt cao, không độc hại, không ăn mòn, không hút ẩm; chi phí thấp; dễ phối trộn để đạt được phạm vi nhiệt độ mong muốn. Các parafin được vi nang hóa và áp dụng cho một ma trận dệt. Vải được xử lý bằng PCM trong trần xe và ghế ngồi cung cấp khả năng kiểm soát nhiệt vượt trội. Mũ bảo hiểm, quần lội nước câu cá, quần áo lính cứu hỏa là một số ví dụ khác về ứng dụng PCM trong dệt may [3].
Hiện nay, PCM cũng được sử dụng trong giày dép, đặc biệt là giày trượt tuyết, giày leo núi, giày đua xe... Công nghệ thay đổi pha phản ứng trực tiếp với những thay đổi về nhiệt độ của cả bên ngoài quần áo và cơ thể. Vật liệu biến đổi pha (parafin) chứa trong các vi nang được liên kết với một phạm vi nhiệt độ cụ thể tùy thuộc vào mục đích sử dụng cuối cùng (36°C đối với mũ bảo hiểm xe máy và 26°C đối với găng tay). Sản phẩm dệt may lưu trữ nhiệt và điều chỉnh nhiệt độ có thể hấp thụ, lưu trữ, phân phối lại và giải phóng nhiệt để ngăn ngừa những thay đổi mạnh mẽ ở đầu, cơ thể, tay và chân của người mặc. Trong trường hợp của giày trượt tuyết, PCM hấp thụ nhiệt khi bàn chân tạo ra nhiệt dư thừa và gửi nhiệt đã lưu trữ trở lại các điểm lạnh nếu bàn chân bị lạnh. Điều này giúp bàn chân luôn thoải mái. Giày trượt tuyết và giày chơi gôn là một số sản phẩm có thể sử dụng PCM [3].
Làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao mà không có quần áo và thiết bị bảo hộ thích hợp thường gây ra tình trạng căng thẳng do nhiệt. Các nhà nghiên cứu và các công ty đã cùng nhau phát triển một giải pháp công nghệ về trang phục dành cho lính cứu hỏa. Giải pháp này cho phép theo dõi tình trạng căng thẳng do nhiệt theo thời gian thực, do đó cải thiện sức khỏe và an toàn nghề nghiệp trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt [1].
Hình 5. Quần áo thông minh, tự động điều chỉnh nhiệt độ [1]
3.4. Quần áo điện tử thông minh
Quần áo điện tử thông minh có thể mặc giúp cuộc sống đáng tin cậy hơn, lành mạnh hơn và thoải mái hơn trong nhiều lĩnh vực. Quần áo điện tử thông minh có thể mặc; nhiệt độ thay đổi, ánh sáng, độ ẩm, chẳng hạn như các kích thích môi trường có thể phát hiện, phản ứng với các kích thích này, có thể tự thay đổi theo các điều kiện bên ngoài, lưu trữ dữ liệu, những dữ liệu này được sử dụng để tạo ra thông tin và mục đích truyền thông. Chúng được coi là công nghệ thông minh sẽ có những phẩm chất hỗ trợ các hoạt động quan trọng của con người như cảm giác, chuyển động, giao tiếp, hành động và thích ứng với các điều kiện môi trường [1].
Quần áo điện tử thông minh được trang bị cảm biến theo dõi các chức năng quan trọng như nhịp thở, nhịp tim và nhiệt độ cơ thể giúp tăng khả năng vận động của bệnh nhân, đồng thời mang lại sự tự tin khi được theo dõi liên tục và nâng cao mức sống cho bệnh nhân mãn tính và người khuyết tật.
Có nhiều ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực y học, quần áo thể thao và quần áo bảo hộ. Trang phục hiển thị dữ liệu sức khỏe cũng bao gồm một hệ thống định vị toàn cầu (GPS) để sử dụng trong trường hợp bị mất và một mô-đun GSM có thể tự động gửi tọa độ và thông tin sức khỏe đến một số được xác định trước trong trường hợp có tình trạng bất thường [1].
Chiếc áo khoác denim thông minh do Levi’s thiết kế, biến một phần vải trên tay áo thành một chiếc điều khiển từ xa cảm ứng cho điện thoại để giúp ích trong cuộc sống hàng ngày. Đây là phiên bản thứ hai của chiếc áo khoác thông minh Jacquard được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2017.
Hình 6. Áo khoác denim thông minh [1]
Chiếc áo khoác mang tính biểu tượng này kết hợp phong cách với công nghệ Jacquard cải tiến và cho phép người mặc trả lời cuộc gọi, phát nhạc và chụp ảnh bằng cách vuốt và chạm vào cổ tay áo bên trái của áo khoác để ra lệnh. Jacquard cũng cung cấp các cảnh báo hữu ích, như khi bạn để quên điện thoại, bằng cách sử dụng đèn trên tag và rung ở cổ tay áo để thu hút sự chú ý [1].
Một thiết bị y tế tiên tiến đã được tạo ra bằng cách sử dụng vải dệt kim và vải dệt thoi, giúp điều chỉnh một số tình trạng đe dọa tính mạng của tim và hệ thống mạch máu. Các nhà khoa học đã phát triển một thiết bị mới được gọi là thiết bị hỗ trợ tim (CSD), nhằm mục đích ngăn chặn sự tiến triển của suy tim. Nghiên cứu về thiết bị hỗ trợ tim (CSD) đã được tiến hành để xác định vật liệu, cấu hình sợi, kiểu dệt và quy trình xử lý để sản xuất vải CSD. Đây là một loại vải dệt kim đan dọc, được chế tạo từ kết cấu đa sợi. Vải polyester được sử dụng, có phản ứng mô sinh học và có khả năng tương thích với bề mặt màng ngoài tim. Các sợi polyester được đan thành dạng lưới bằng kiểu dệt Atlas [1].
Hình 7. Vải y tế hỗ trợ tim [1]
Bên cạnh đó, sản phẩm dệt may được xử lý bằng vi nang PCM có tiềm năng ứng dụng trong trang phục phẫu thuật, vật liệu trải giường cho bệnh nhân, băng gạc và các sản phẩm để điều chỉnh nhiệt độ bệnh nhân trong các đơn vị chăm sóc đặc biệt. Vải y tế thông minh có thể hữu ích trong các ứng dụng y tế và vệ sinh, chẳng hạn như gạc phẫu thuật, tã lót và các sản phẩm dành cho chứng tiểu không tự chủ [1].
DuPont Intexar là loại màng điện tử có thể biến thành quần áo thông minh cho nhiều ứng dụng. Một lớp mỏng cacbon hoặc bạc đóng vai trò là cảm biến, cảm nhận tín hiệu điện, trong khi một dây dẫn, được làm bằng một lớp bạc, có vai trò truyền điện. Ứng dụng nhiệt sử dụng công nghệ chạy bằng pin bao gồm điện trở, một lớp cacbon mỏng tỏa nhiệt, dây dẫn, một lớp bạc mỏng truyền dòng điện và các màng bảo vệ bổ sung [1].
Công nghệ này được đưa trực tiếp vào vải bằng các quy trình sản xuất trang phục tiêu chuẩn, dễ dàng tích hợp và dễ dàng thiết kế. Hiện tại, công nghệ này được sử dụng cho ba ứng dụng: thể thao, nhiệt và sức khỏe.
Hình 8. Vải màng thông minh [1]
Trong lĩnh vực thể thao và sức khỏe, vải màng thông minh hoạt động tương tự với các thành phần chính, có nhiệm vụ theo dõi và truyền tín hiệu sinh trắc học. Một lớp mỏng cacbon hoặc bạc đóng vai trò là cảm biến, cảm nhận tín hiệu điện, trong khi một dây dẫn, được làm bằng một lớp bạc, truyền dòng điện khắp nơi. Các màng khác được tích hợp vào sản phẩm dệt may để bảo vệ chúng khỏi nước và các va chạm bên ngoài. Ứng dụng nhiệt sử dụng công nghệ chạy bằng pin bao gồm điện trở, một lớp cacbon mỏng tỏa nhiệt, một dây dẫn, một lớp bạc mỏng truyền dòng điện và các màng bảo vệ bổ sung.
Công nghệ màng thông minh chạy bằng pin cho phép quần áo tạo ra nhiệt. Công nghệ này đặc biệt phù hợp với các hoạt động ngoài trời và các chuyên gia trong ngành trong các ngành dịch vụ, xây dựng, quân sự, lâm nghiệp, khai thác mỏ cùng nhiều ngành khác. Công nghệ này cũng cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe trên trang phục tiên tiến thông qua cảm biến và truyền tín hiệu sinh trắc học. Các ứng dụng chính bao gồm theo dõi thai kỳ, đo từ xa các rối loạn hô hấp cũng như các liệu pháp nhiệt và kích thích điện [1].
3.5. Vải điện tử chống thấm nước và co giãn được in bằng laser
Trong tương lai, thế hệ vải thông minh chống thấm nước sẽ được in laser và được sản xuất trong thời gian ngắng (vài phút). Các nhà khoa học từ Đại học RMIT ở Melbourne (Úc) đã phát triển một phương pháp có thể sản xuất một miếng vải thông minh 10 × 10 cm không thấm nước, có thể kéo giãn và dễ dàng tích hợp với các công nghệ thu năng lượng chỉ trong 3 phút. Công nghệ này cho phép các siêu tụ điện graphen các thiết bị lưu trữ năng lượng mạnh mẽ và lâu dài dễ dàng kết hợp với năng lượng mặt trời hoặc các nguồn năng lượng khác được in laser trực tiếp lên vải [1].
Hình 9. Vải điện tử chống thấm nước và co giãn, được in bằng laser [1]
3.6. Vải dẫn điện
Vải dẫn điện được định nghĩa là loại vải được làm từ các sợi kim loại được dệt, pha trộn hoặc phủ trong quá trình tạo ra vải. Vải sử dụng các kim loại dẫn điện như bạc, titan, vàng, niken và cacbon. Vải dẫn điện có đặc tính là có thể dẫn điện, có chức năng chính là kiểm soát tĩnh điện và bảo vệ khỏi nhiễu điện từ. Vải dẫn điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như quân sự, quốc phòng, chăm sóc sức khỏe, thể thao... [1].
Hình 10. Vải dẫn điện [2]
3.7. Vải thông minh từ graphen
Graphen là một loại vật liệu siêu mỏng, được tạo ra bằng cách sắp xếp các nguyên tử cacbon theo cấu trúc lục giác tuần hoàn và liên kết với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị. Graphen được coi là một trong những vật liệu mạnh nhất, nhẹ nhất và dẻo nhất trên thế giới, với độ dày chỉ khoảng 1 nguyên tử. Với những tính chất đặc biệt này, graphen có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, vật liệu, y tế, năng lượng và môi trường.
Hình 11. Cấu tạo graphen
Nhờ đặc tính dẫn nhiệt của graphen, nhiệt lượng do cơ thể con người tạo ra được bảo toàn và phân bổ đều trong điều kiện thời tiết lạnh và cho phép nhiệt độ cơ thể đồng đều trong quá trình hoạt động thể chất. Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu đã tạo ra hai cách để áp dụng các tấm graphen mỏng giúp vải trở nên siêu kỵ nước hoặc siêu ưa nước.
Một công ty nổi tiếng Directa Plus, nhà sản xuất và cung cấp các sản phẩm về graphen đã hợp tác với Colmar - công ty đồ thể thao cao cấp, đã cho ra mắt bộ sưu tập áo khoác SKI mới chứa các sản phẩm từ graphen.
Áo khoác SKI công nghệ mới chứa graphen plus (G+) và được đội tuyển SKI quốc gia Pháp mặc trong nhiều giải đấu thành công. Người ta giải thích rằng lợi ích chính của việc kết hợp G+ là nó cho phép vải hoạt động như một bộ lọc giữa cơ thể và môi trường bên ngoài, đảm bảo nhiệt độ lý tưởng cho người mặc [1].
Hình 12. Áo khoác làm từ graphen [1]
Graphen cũng có độc tính mạnh đối với vi khuẩn. Vì vậy, nó cũng có thể được ứng dụng đối với quần áo bà bầu để tạo ra lớp phủ ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn trên bề mặt vải, do đó bảo vệ bà bầu khỏi các bệnh có thể lây truyền do vi khuẩn. Loại sản phẩm này sẽ rất hữu ích đối với quần áo của bác sĩ phụ khoa, y tá và nữ hộ sinh hỗ trợ sản phụ để tránh gây nhiễm trùng do vi khuẩn ở trẻ sơ sinh [1].
3.8. Vật liệu dệt từ tính
Vật liệu dệt chứa các hạt nano magnetite có triển vọng lớn trong việc tạo ra quần áo thông minh. Các vật liệu thu được, ngoài các đặc tính từ tính, còn có tác dụng vệ sinh và khử trùng. Hỗn hợp oxit sắt (II) và sắt (III) dưới dạng hạt nano có độ bám dính tốt vào các sợi của vật liệu dệt.
Các đặc tính cơ học của vật liệu dệt đã thay đổi đáng kể sau khi ứng dụng bột nano từ tính. Khả năng chống giữ lại của các hạt nano từ tính tăng đáng kể theo thời gian và sau 2 đến 3 ngày, hầu như không thấy mài mòn..
Ngoài ra, vải từ tính còn có tính chất kháng khuẩn, điều này sẽ chứng minh thêm tính hợp lý của việc sử dụng nó trong quần áo thông minh [4].
3.9. Nanotextiles
Công nghệ nano, là nghệ thuật phát triển, nghiên cứu và ứng dụng vật liệu ở cấp độ nano (10−9 m) đã nổi lên như một cái nôi của các hoạt động nghiên cứu và đổi mới của thế kỷ 21 với các ứng dụng không phổ biến trong hầu hết mọi khía cạnh trong đó có dệt may. Cốt lõi của sự đổi mới này là các hạt nano có kích thước từ 1 đến 100 nm. Các hạt nano thuộc nhiều loại khác nhau đã được khai thác cho nhiều ứng dụng y sinh. Việc sử dụng vật liệu nanotextiles đã mở rộng phạm vi của công nghệ nano trong nhiều lĩnh vực khoa học tự nhiên và ứng dụng, kỹ thuật, nông nghiệp, y học, môi trường xây dựng và nhân văn [5].
Công nghệ nano có thể mang lại chức năng mới hoặc tăng cường bằng cách thay đổi hoặc cải thiện các đặc tính của vải thông thường. Vải nano là vật liệu dệt may đã được chức năng hóa bằng các hạt nano để mang lại một số lợi ích như khả năng chống nước, khử mùi và độ ẩm, có độ đàn hồi và độ bền tốt hơn, có khả năng chống vi khuẩn, khả năng chống cháy cũng như khả năng hấp thụ tia cực tím, phân phối thuốc, khả năng điện tử và y sinh trong số các ứng dụng cải tiến khác. Chúng cũng có độ bền được cải thiện và khả năng nhuộm được tăng cường. Một số hạt nano như Ag, Au, TiO2, ZnO, Se, SiO2, CuO, CdTe và Pt cùng nhiều loại khác đã được sử dụng bằng các kỹ thuật khác nhau để chức năng hóa nhiều loại hàng dệt may. Người ta dự đoán rằng vải nano sẽ thống trị những tiến bộ trong ngành dệt may do những cơ hội độc đáo mà chúng mang lại. Ngành dệt may đã được thêm vào danh sách các ngành công nghiệp được hưởng lợi từ công nghệ nano trong thời gian gần đây [5].
4. Kết luận
Sản phẩm dệt may thông minh là sự kết hợp giữa công nghệ dệt truyền thống với điện tử, vật liệu mới và khoa học dữ liệu, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong y tế, thể thao, quốc phòng và thời trang. Tuy nhiên, lĩnh vực này đang đối mặt với nhiều thách thức như tích hợp linh kiện điện tử vào vải mà vẫn giữ được độ linh hoạt, bền khi giặt, đảm bảo thẩm mỹ, an toàn dữ liệu và khả năng thương mại hóa.
Xu hướng công nghệ hiện nay tập trung vào phát triển sợi dẫn điện, sợi cảm biến linh hoạt, công nghệ in 3D trên vải, khả năng tự cung cấp năng lượng và kết nối không dây. Trí tuệ nhân tạo cũng được ứng dụng để phân tích dữ liệu thu thập từ vải thông minh.
Trong tương lai, nghiên cứu sẽ hướng đến vật liệu tích hợp đa chức năng, thân thiện môi trường, hệ thống cảm biến đa kênh có độ chính xác cao và giải pháp năng lượng bền vững. Dệt may thông minh được kỳ vọng sẽ góp phần nâng cao chất lượng sống và thúc đẩy đổi mới trong ngành công nghiệp dệt may.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Dilan Canan Çelikel (2020), “Smart E-Textile Materials”, Intechopen, DOI: 10.5772/intechopen.92439.
[2]. Md. Syduzzaman, Sarif Ullah Patwary, Kaniz Farhana, Sharif Ahmed (2015), “Smart Textiles and Nano-Technology: A General Overview”, Journal of Textile Science & Engineering, ISSN: 2165-8064, DOI: 10.4172/2165-8064.1000181.
[3]. S. Mondal (2007), “Phase change materials for smart textiles - An overview”, Applied Thermal Engineering, DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2007.08.009.
[5]. Mykola Riabchykov, Alexandr Alexandrov, Roman Trishch, Anastasiia Nikulina, Natalia Korolyova (2022), “Prospects for the Development of Smart Clothing with the Use of Textile Materials with Magnetic Properties”, Tekstilec, Vol. 65(1), p. 36 - 43.
[5]. O.N. Aguda, A. Lateef (2022), “Recent advances in functionalization of nanotextiles: A strategy to combat harmful microorganisms and emerging pathogens in the 21st century”, Heliyon, DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e09761.