Textiles inteligentes con material de cambio de fases (PCM), entre la oferta de Techtextil
Redacción Protección Laboral30/03/2017
El cuerpo humano es homeotermo (temperatura estable), por lo que tiene una enorme capacidad de regulación térmica. Sin embargo, podemos rebasar los límites que nos impone nuestra naturaleza con los materiales de cambio de fase (Phase Change Material o PCM, por su nomenclatura inglesa) incorporados en las prendas.
En la amplia oferta del Salón Techtextil (Frankfurt) no faltan los ofertantes de soluciones en que los textiles inteligentes explotan los beneficios de los PCM para el confort térmico.
Confort térmico atañe por igual a frío y a calor. Hasta la fecha, las aplicaciones comerciales de los PCM –mayoritariamente vestuario para proteger del frío- nos han llevado a olvidar que dichos materiales también pueden ejercer un efecto refrigerante, algo necesario en climas / estaciones cálidas o en entornos de trabajo donde el calor representa un problema. Este artículo pone el foco en las propiedades refrigerantes de los PCM.
La Dra. Ariadna Detrell, Cluster Manager de AEI Tèxtils, explica que “una tecnología relativamente nueva para mantener confortable al usuario propone el uso de fibras y tejidos que incorporan tecnologías de adaptación térmica (termorregulación activa). Esta tecnología incluye tres etapas: absorción de calor, almacenamiento de calor y liberación de calor.
Uno de los desarrollos más importantes en este campo es el uso de materiales y tejidos que contienen componentes activos, como los materiales de cambio de fase (Phase Change Materials, o PCM’s). Los PCM’s tienen la cualidad de cambiar su estado físico de sólido a líquido y viceversa dentro de un determinado rango de temperaturas. Para su aplicación en tejidos, se encapsulan en diminutas micro-esferas, cuando se encuentran en fase líquida.
El componente activo utilizado en los PCM’s son las parafinas. Cuando el cuerpo se calienta, la parafina se funde y absorbe el exceso de calor corporal. Cuando el cuerpo se enfría, ésta cambia de líquido a sólido, liberando calor y manteniendo así al usuario caliente”.
Actualmente los PCM se pueden aplicar a la materia prima, integrándose en fibras acrílicas para fabricar tejidos, así como incorporarse directamente a los tejidos, o a los materiales esponjosos para fabricar forros con distintos usos (calzados, etc.). También pueden combinarse con tejidos membrana impermeable, transpirable y cortavientos (Sympatex, GoreTex, etc.).
Bajo distintas formas los textiles inteligentes con material de cambio de fases se pueden encontrar en textiles del hogar, colchones, ropa exterior, mobiliario, construcción, ropa de vestir y ropa laboral, uniformes militares, vestuario de los cosmonautas, etc.
El valor intrínseco de esta tecnología es su capacidad de aislamiento; es decir, su capacidad de evitar picos de frío o de calor mediante el cambio de fases. Al respecto Ariadna Detrell precisa que “la capacidad de aislamiento de los materiales con cápsulas PCM aumenta durante el periodo en que tiene lugar el cambio de fase, y finaliza cuando éste ha tenido lugar completamente. Por tanto, este efecto de aislamiento térmico depende de la temperatura y la duración del cambio de fase, y es un aislamiento térmico dinámico, que se añade al aislamiento térmico estático que proporciona la estructura textil, generalmente multicapas que engloban una determinada cantidad de aire que actúa como aislante, y que depende del espesor del tejido y de la densidad de hilos.
Tales cápsulas pueden ser introducidas dentro de las fibras manufacturadas, en el proceso de hilatura, o depositadas en la superficie de la tela por laminado”.
El rendimiento de los PCM micro-encapsulados no se degrada con el tiempo ni por pasar por diferentes ciclos de cambio de fase. Visto lo cual la pregunta podría ser por qué no se utiliza más esta tecnología en la ropa de vestir. El inconveniente está en que el proceso de micro-encapsulado es caro, no así los materiales, por lo que la industria se decanta por soluciones más económicas como los paquetes de gel.
Los PCM también ejercen un efecto refrigerante en vestuario complejo (vestuario de astronautas, buzos de protección, etc.)
Es la carga de calor que los trabajadores reciben y acumulan en su cuerpo y que resulta de la interacción entre las condiciones ambientales del lugar donde trabajan, la actividad física que realizan y la ropa que llevan. El estrés térmico es consecuencia de los diversos efectos patológicos que se producen cuando se acumula excesivo calor en el cuerpo. Trabajando en estas condiciones, el cuerpo del individuo se altera.
La intensidad del estrés térmico y la gravedad de sus efectos dependen de la intensidad de los tres factores que lo determinan. Hay factores agravantes: el verano, trabajos al aire libre o en lugares cerrados (con temperatura y humedad elevadas, como pueden ser las fundiciones, hornos, ladrilleras, conserveras, en los trabajos de emergencias, en invernaderos, lavanderías, cementeras, etc.).
El estrés térmico también puede darse sin unas condiciones de calor y humedad ambiental elevados cuando se realiza una actividad física intensa o los trabajadores llevan trajes o equipos de protección individual que impidan la eliminación del calor corporal. Asimismo, el estrés térmico -y sus consecuencias- puede ser especialmente acusado en los trabajos al aire libre, como en la construcción, agricultura, etc., especialmente si no existen programas de prevención por tratarse de riesgos coyunturales o esporádicos.
Los PCM incorporados a las prendas laborales y los EPI pueden colaborar con los mecanismos de evacuación de calor del cuerpo humano:
·Conducción
Es la transferencia de calor por contacto con el aire, la ropa, el agua, u otros objetos. Si la temperatura del medio circundante es inferior a la del cuerpo, la transferencia ocurre del cuerpo al ambiente (pérdida), si no, la transferencia se invierte (ganancia). En este proceso se pierde el 3% del calor, si el medio circundante es aire a temperatura normal. La transferencia aumenta considerablemente en el agua.
·Convección
El aire caliente asciende y es reemplazado por aire más frío (así se pierde el 12% del calor), siendo la ropa un freno a la pérdida de calor. Si existe una corriente de aire (viento o ventilador mecánico) se produce una convención forzada y la trasferencia de calor es mayor. Si no hay aire más fresco para hacer el reemplazo el proceso se detiene. Esto sucede, por ejemplo, en una habitación pequeña con muchas personas.
Básicamente el vestuario fresco se obtiene de dos formas: la arquitectura del tejido y la incorporación de PCM en su capas.
Coolmax, especialista en tejidos, ofrece algunas claves de lo que podemos considerar vestuario fresco. Al respecto, la firma puntualiza que “la primera capa, cerca de la piel debe gestionar de forma rápida la transpiración, convirtiéndola en vapor y expulsando hacia la siguiente capa (el exterior) cualquier exceso de transpiración que suponga una saturación. No tiene demasiado sentido hacer fuertes inversiones en prendas funcionales para la segunda o la tercera capa si la primera capa no es capaz de gestionar la transpiración. Esto es particularmente cierto en verano, cuando la primera capa es la única. Por ello se recomienda el uso de prendas con tejidos certificados que garanticen la máxima funcionalidad y un eficiente enfriamiento evaporativo”.
Para optimizar el rendimiento de los textiles con PCM deben respetarse principios que rigen para todas las prendas, como es la ventilación de las mismas. En este sentido, Coolmax dice que “la solución pasa por abrir vías a la evacuación del sudor a base de sustituir el forro interior con forros fabricados con un tejido de punto de urdimbre, indesmallable, de doble cara, separada por un monofilamento de los conocidos como “3-D” o “Spacer”.
Los PCM pueden añadir los beneficios de la absorción de calor a los tejidos, hecho ratificado por diversos estudios que concluyen que diversas configuraciones de estos materiales (macro-cápsulas, membranas infused, y tejidos no tejidos pueden ejercer un positivos efecto refrigerante en vestuario simple y complejo (trajes para entornos químicos, biológicos, radiológicos o nucleares).
Otros estudios han concluido que el alcance del efecto refrigerante de los PCM depende no sólo de la cantidad de éstos en las prendas (que se puede incrementar con su inclusión en todas las capas del tejido) sino de la transición de temperaturas seleccionadas. De este modo, esta tecnología puede reducir la carga térmica incluso en las condiciones extremas del vestuario complejo quimicobiológico, etc.
Entre las diversas soluciones comerciales pensadas para reducir la carga térmica, citamos:
·Chaleco de temperatura constante 21º C Tuaq (Inuteq)
Aprovecha la tecnología de los paquetes de refrigeración de temperatura constante, basados en el sistema PCM (Phase Change Material – Material de Cambio de Fase) de base biológica, fácilmente integrables, para situaciones en que el control de la temperatura de forma precisa resulta vital. El versátil y robusto chaleco de refrigeración PCM ofrece refrigeración y protección contra el estrés térmico a profesionales que necesiten refrigeración experta bajo la ropa protectora industrial en situaciones de calor extremo. Los productos Inuteq PAC también son adecuados para aplicaciones médicas donde se necesite refrigeración constante.
El chaleco de refrigeración Tuaq funciona a temperaturas extremas, independientemente del nivel de humedad. Al ofrecer regulación térmica exacta, es la opción ideal para llevar bajo equipo militar de combate, trajes para la manipulación de materiales peligrosos, trajes para contacto con animales y otro equipo profesional. El interior del chaleco cuenta con 4 bolsillos en los que se pueden introducir los paquetes de refrigeración PCM de base biológica. Los mismos están disponibles en 3 temperaturas diferentes: 15º, 21º y 29º C. Los velcros permiten fijarlos bien a los bolsillos del chaleco. La reactivación es rápida y sencilla, bastando simplemente con poner el paquete en agua helada, el congelador o refrigerador o guardándolo a baja temperatura hasta que se solidifique por completo. El chaleco de refrigeración Tuaq también está disponible en material ignífugo.
·Ropa interior con tecnología PCM y retardante del fuego
La ropa interior retardante de la llama y con tecnología PCM aporta seguridad y confort. Desarrollada por Outlast, ofrece la ventaja añadida de la regulación activa de la temperatura. Junto al comportamiento al fuego, el aspecto del confort es esencial.
La prueba de cámara climática comparó una camiseta de manga corta, hecha de Modacrylic FR (85%) y Lyocell (15%), con una camiseta Outlast hecha con un 70% de Modacrylic FR y 30% de Outlast® Viscose. Los resultados fueron concluyentes: la camiseta Outlast ofrece resultados significativamente mejores en lo concerniente tanto a regulación de la temperatura como en la gestión de la humedad. En una simulación de entorno cálido, durante una prueba de 55 minutos, la camiseta Outlast mantuvo la temperatura de la piel más fría, produciendo hasta un 25% menos de sudor. La prueba ratificó que esta tecnología reduce drásticamente el sobre-calentamiento, abonando la tesis de que el vestuario de protección confortable mejora el rendimiento.
·Guantes de bombero
También se ha explorado la aplicación de PCM en los guantes de bombero con el énfasis en mejorar la regulación térmica. Entre los procedimientos seguidos (Lin, Chang, Boorady y Ashdown) se encuentra el uso de material interlock compuesto por una mezcla de algodón (35%) y poliéster (65%) para desarrollar prototipos. El material interlock incorporaba dos capas separadas por un tejido PCM recubierto. Las capas estaban envueltas en Panex, tejido de carbono que constituía la envoltura exterior. Esta combinación de capas proporcionaba protección y enfriamiento en la zona del reverso de la mano. Las pruebas corroboraron la absorción y liberación de calor (energía) con el cambio de estado del PCM, lo que, sin duda, proporcionará un beneficio a los bomberos, que ha de constatarse y evaluarse en las condiciones de trabajo de situaciones reales.
En la amplia oferta del Salón Techtextil (Frankfurt) no faltan los ofertantes de soluciones en que los textiles inteligentes explotan los beneficios de los PCM para el confort térmico.
Confort térmico atañe por igual a frío y a calor. Hasta la fecha, las aplicaciones comerciales de los PCM –mayoritariamente vestuario para proteger del frío- nos han llevado a olvidar que dichos materiales también pueden ejercer un efecto refrigerante, algo necesario en climas / estaciones cálidas o en entornos de trabajo donde el calor representa un problema. Este artículo pone el foco en las propiedades refrigerantes de los PCM.
Termorregulación activa con PCM
La Dra. Ariadna Detrell, Cluster Manager de AEI Tèxtils, explica que “una tecnología relativamente nueva para mantener confortable al usuario propone el uso de fibras y tejidos que incorporan tecnologías de adaptación térmica (termorregulación activa). Esta tecnología incluye tres etapas: absorción de calor, almacenamiento de calor y liberación de calor.
Uno de los desarrollos más importantes en este campo es el uso de materiales y tejidos que contienen componentes activos, como los materiales de cambio de fase (Phase Change Materials, o PCM’s). Los PCM’s tienen la cualidad de cambiar su estado físico de sólido a líquido y viceversa dentro de un determinado rango de temperaturas. Para su aplicación en tejidos, se encapsulan en diminutas micro-esferas, cuando se encuentran en fase líquida.
El componente activo utilizado en los PCM’s son las parafinas. Cuando el cuerpo se calienta, la parafina se funde y absorbe el exceso de calor corporal. Cuando el cuerpo se enfría, ésta cambia de líquido a sólido, liberando calor y manteniendo así al usuario caliente”.
Actualmente los PCM se pueden aplicar a la materia prima, integrándose en fibras acrílicas para fabricar tejidos, así como incorporarse directamente a los tejidos, o a los materiales esponjosos para fabricar forros con distintos usos (calzados, etc.). También pueden combinarse con tejidos membrana impermeable, transpirable y cortavientos (Sympatex, GoreTex, etc.).
Bajo distintas formas los textiles inteligentes con material de cambio de fases se pueden encontrar en textiles del hogar, colchones, ropa exterior, mobiliario, construcción, ropa de vestir y ropa laboral, uniformes militares, vestuario de los cosmonautas, etc.
El valor intrínseco de esta tecnología es su capacidad de aislamiento; es decir, su capacidad de evitar picos de frío o de calor mediante el cambio de fases. Al respecto Ariadna Detrell precisa que “la capacidad de aislamiento de los materiales con cápsulas PCM aumenta durante el periodo en que tiene lugar el cambio de fase, y finaliza cuando éste ha tenido lugar completamente. Por tanto, este efecto de aislamiento térmico depende de la temperatura y la duración del cambio de fase, y es un aislamiento térmico dinámico, que se añade al aislamiento térmico estático que proporciona la estructura textil, generalmente multicapas que engloban una determinada cantidad de aire que actúa como aislante, y que depende del espesor del tejido y de la densidad de hilos.
Tales cápsulas pueden ser introducidas dentro de las fibras manufacturadas, en el proceso de hilatura, o depositadas en la superficie de la tela por laminado”.
El rendimiento de los PCM micro-encapsulados no se degrada con el tiempo ni por pasar por diferentes ciclos de cambio de fase. Visto lo cual la pregunta podría ser por qué no se utiliza más esta tecnología en la ropa de vestir. El inconveniente está en que el proceso de micro-encapsulado es caro, no así los materiales, por lo que la industria se decanta por soluciones más económicas como los paquetes de gel.
Los PCM también ejercen un efecto refrigerante en vestuario complejo (vestuario de astronautas, buzos de protección, etc.)
Estrés térmico por calor
Es la carga de calor que los trabajadores reciben y acumulan en su cuerpo y que resulta de la interacción entre las condiciones ambientales del lugar donde trabajan, la actividad física que realizan y la ropa que llevan. El estrés térmico es consecuencia de los diversos efectos patológicos que se producen cuando se acumula excesivo calor en el cuerpo. Trabajando en estas condiciones, el cuerpo del individuo se altera.
La intensidad del estrés térmico y la gravedad de sus efectos dependen de la intensidad de los tres factores que lo determinan. Hay factores agravantes: el verano, trabajos al aire libre o en lugares cerrados (con temperatura y humedad elevadas, como pueden ser las fundiciones, hornos, ladrilleras, conserveras, en los trabajos de emergencias, en invernaderos, lavanderías, cementeras, etc.).
El estrés térmico también puede darse sin unas condiciones de calor y humedad ambiental elevados cuando se realiza una actividad física intensa o los trabajadores llevan trajes o equipos de protección individual que impidan la eliminación del calor corporal. Asimismo, el estrés térmico -y sus consecuencias- puede ser especialmente acusado en los trabajos al aire libre, como en la construcción, agricultura, etc., especialmente si no existen programas de prevención por tratarse de riesgos coyunturales o esporádicos.
Los PCM incorporados a las prendas laborales y los EPI pueden colaborar con los mecanismos de evacuación de calor del cuerpo humano:
·Conducción
Es la transferencia de calor por contacto con el aire, la ropa, el agua, u otros objetos. Si la temperatura del medio circundante es inferior a la del cuerpo, la transferencia ocurre del cuerpo al ambiente (pérdida), si no, la transferencia se invierte (ganancia). En este proceso se pierde el 3% del calor, si el medio circundante es aire a temperatura normal. La transferencia aumenta considerablemente en el agua.
·Convección
El aire caliente asciende y es reemplazado por aire más frío (así se pierde el 12% del calor), siendo la ropa un freno a la pérdida de calor. Si existe una corriente de aire (viento o ventilador mecánico) se produce una convención forzada y la trasferencia de calor es mayor. Si no hay aire más fresco para hacer el reemplazo el proceso se detiene. Esto sucede, por ejemplo, en una habitación pequeña con muchas personas.
El vestuario fresco
Básicamente el vestuario fresco se obtiene de dos formas: la arquitectura del tejido y la incorporación de PCM en su capas.
Coolmax, especialista en tejidos, ofrece algunas claves de lo que podemos considerar vestuario fresco. Al respecto, la firma puntualiza que “la primera capa, cerca de la piel debe gestionar de forma rápida la transpiración, convirtiéndola en vapor y expulsando hacia la siguiente capa (el exterior) cualquier exceso de transpiración que suponga una saturación. No tiene demasiado sentido hacer fuertes inversiones en prendas funcionales para la segunda o la tercera capa si la primera capa no es capaz de gestionar la transpiración. Esto es particularmente cierto en verano, cuando la primera capa es la única. Por ello se recomienda el uso de prendas con tejidos certificados que garanticen la máxima funcionalidad y un eficiente enfriamiento evaporativo”.
Para optimizar el rendimiento de los textiles con PCM deben respetarse principios que rigen para todas las prendas, como es la ventilación de las mismas. En este sentido, Coolmax dice que “la solución pasa por abrir vías a la evacuación del sudor a base de sustituir el forro interior con forros fabricados con un tejido de punto de urdimbre, indesmallable, de doble cara, separada por un monofilamento de los conocidos como “3-D” o “Spacer”.
Los PCM pueden añadir los beneficios de la absorción de calor a los tejidos, hecho ratificado por diversos estudios que concluyen que diversas configuraciones de estos materiales (macro-cápsulas, membranas infused, y tejidos no tejidos pueden ejercer un positivos efecto refrigerante en vestuario simple y complejo (trajes para entornos químicos, biológicos, radiológicos o nucleares).
Otros estudios han concluido que el alcance del efecto refrigerante de los PCM depende no sólo de la cantidad de éstos en las prendas (que se puede incrementar con su inclusión en todas las capas del tejido) sino de la transición de temperaturas seleccionadas. De este modo, esta tecnología puede reducir la carga térmica incluso en las condiciones extremas del vestuario complejo quimicobiológico, etc.
Textiles y EPIs refrigerantes con PCM
Entre las diversas soluciones comerciales pensadas para reducir la carga térmica, citamos:
·Chaleco de temperatura constante 21º C Tuaq (Inuteq)
Aprovecha la tecnología de los paquetes de refrigeración de temperatura constante, basados en el sistema PCM (Phase Change Material – Material de Cambio de Fase) de base biológica, fácilmente integrables, para situaciones en que el control de la temperatura de forma precisa resulta vital. El versátil y robusto chaleco de refrigeración PCM ofrece refrigeración y protección contra el estrés térmico a profesionales que necesiten refrigeración experta bajo la ropa protectora industrial en situaciones de calor extremo. Los productos Inuteq PAC también son adecuados para aplicaciones médicas donde se necesite refrigeración constante.
El chaleco de refrigeración Tuaq funciona a temperaturas extremas, independientemente del nivel de humedad. Al ofrecer regulación térmica exacta, es la opción ideal para llevar bajo equipo militar de combate, trajes para la manipulación de materiales peligrosos, trajes para contacto con animales y otro equipo profesional. El interior del chaleco cuenta con 4 bolsillos en los que se pueden introducir los paquetes de refrigeración PCM de base biológica. Los mismos están disponibles en 3 temperaturas diferentes: 15º, 21º y 29º C. Los velcros permiten fijarlos bien a los bolsillos del chaleco. La reactivación es rápida y sencilla, bastando simplemente con poner el paquete en agua helada, el congelador o refrigerador o guardándolo a baja temperatura hasta que se solidifique por completo. El chaleco de refrigeración Tuaq también está disponible en material ignífugo.
·Ropa interior con tecnología PCM y retardante del fuego
La ropa interior retardante de la llama y con tecnología PCM aporta seguridad y confort. Desarrollada por Outlast, ofrece la ventaja añadida de la regulación activa de la temperatura. Junto al comportamiento al fuego, el aspecto del confort es esencial.
La prueba de cámara climática comparó una camiseta de manga corta, hecha de Modacrylic FR (85%) y Lyocell (15%), con una camiseta Outlast hecha con un 70% de Modacrylic FR y 30% de Outlast® Viscose. Los resultados fueron concluyentes: la camiseta Outlast ofrece resultados significativamente mejores en lo concerniente tanto a regulación de la temperatura como en la gestión de la humedad. En una simulación de entorno cálido, durante una prueba de 55 minutos, la camiseta Outlast mantuvo la temperatura de la piel más fría, produciendo hasta un 25% menos de sudor. La prueba ratificó que esta tecnología reduce drásticamente el sobre-calentamiento, abonando la tesis de que el vestuario de protección confortable mejora el rendimiento.
·Guantes de bombero
También se ha explorado la aplicación de PCM en los guantes de bombero con el énfasis en mejorar la regulación térmica. Entre los procedimientos seguidos (Lin, Chang, Boorady y Ashdown) se encuentra el uso de material interlock compuesto por una mezcla de algodón (35%) y poliéster (65%) para desarrollar prototipos. El material interlock incorporaba dos capas separadas por un tejido PCM recubierto. Las capas estaban envueltas en Panex, tejido de carbono que constituía la envoltura exterior. Esta combinación de capas proporcionaba protección y enfriamiento en la zona del reverso de la mano. Las pruebas corroboraron la absorción y liberación de calor (energía) con el cambio de estado del PCM, lo que, sin duda, proporcionará un beneficio a los bomberos, que ha de constatarse y evaluarse en las condiciones de trabajo de situaciones reales.
Materiales PCM: estabilidad térmica
Actualmente existen en el mercado diferentes soluciones textiles a base de micro-cápsulas de cambio de fase (Phase Change Material).
Estos reguladores de temperatura, que tienen numerosas aplicaciones en ropa y calzado de seguridad, se basan en una cera de parafina no tóxica que, debido a los cambios de temperatura, pasan del estado sólido al líquido y viceversa. Contiene unas micro-cápsulas que intercambian, durante el proceso de cambio de fases, una gran cantidad de energía (calor). En otras palabras, las micro-cápsulas almacenan y reciclan el calor corporal: si éste es demasiado elevado, se absorbe y almacena el calor excedente; si el cuerpo se enfría, el regulador le devuelve el calor almacenado. Dicho proceso se repite sin fin, propiciando la regulación térmica, con ausencia de frío o calor.
Desarrollado por la NASA para proteger a los astronautas de la abismal diferencia térmica entre sol y sombra en la luna, los PCM tienen poca oscilación térmica al pasar del frío al calor, o viceversa. La tecnología tiene ilimitados usos, que incluyen su integración en fibras acrílicas para fabricar tejidos, así como la incorporación directa a los tejidos de una capa de micro-cápsulas PCM, o incorporación a los materiales esponjosos para fabricar forros con distintos usos (calzados, etc.). También puede combinarse con tejidos membrana. El resultado es la adaptación del cuerpo a su entorno o actividad, manteniendo una temperatura estable que redunda en un óptimo equilibrio térmico (ni frío ni calor).
