Development of dynamic textiles based on shape memory polyurethane (SMPU) for applications in car seat upholstery

Abstract

(English) In recent years, numerous studies have been carried out on functional textiles due to their ability to adapt and interact with the environment. In particular, special focus has been placed on dynamic textiles incorporating shape memory materials (SMMs). The most advanced studies in this field deal with the use of shape memory alloys (SMAs) or with the use of shape memory polymer finishes (SMPs), thoroughly analyzing the dynamism of shape memory and its benefits, mainly in terms of comfort and protection. However, despite the rapid development experienced by SMPs due to their versatility, low cost and easy transformation into different formats such as foams, gels or films, their integration in the form of monofilament/multifilament yarns in textiles has yet to be studied in depth. This integration presents significant manufacturing challenges on an industrial level, both in obtaining fibers of adequate fineness retaining their physical properties and shape memory effect (SME), as well as in their subsequent integration into textiles. Studies are currently underway to improve their processability and the properties of SMP yarns, based on shape memory polyurethanes (SMPUs), with the aim of achieving optimum performance and industrial production. However, research on the implementation of SMPU yarns in textiles and their potential applications is still rather limited and further investigation in this area is required. This study focuses on the development of dynamic textiles by integrating SMPU yarns in order to increase comfort in vehicle seats. The research was organized into three phases: the fabrication of the SMPU yarn, the incorporation of the yarns into openwork fabrics and the proposed application. The first research phase was based on the development and characterization of optimal SMPU yarns for use in textile applications. For this purpose, an industrializable SMPU yarn production system was studied, which included the permanent shape programming and the temporary shape setting in a single process. Different yarn winding speeds were analyzed, as well as pure and composite yarn, which was manufactured using additives, such as multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and carbon black (CB), from commercial SMPU pellets. These variations in speed and composition provided a wide range of optimal SMPU yarns for use in textiles, allowing the most suitable yarn to be selected according to the requirements of each application. The second research phase focused on the fabrication of dynamic fabrics by integrating different proportions of SMPU yarns and polyester (PES) yarns in openwork fabrics. The objective was to evaluate the impact of SMPU yarn content and its integration in the fabric in terms of thermal comfort, shape memory effect (SME) and mechanical strength. The third study phase focused on the implementation of dynamic textiles in an innovative application such as vehicle seat upholstery. The dynamism of these textiles, produced by elastic deformation, offers a potential solution to a problem that affects users, causes concern in the automotive sector and thus, has a significant impact on safety. To achieve the objective, three woven fabric structures were developed using a combination of SMPU/PES (25:75) with different ligaments. The results evidenced the possibility of obtaining SMPU yarns with optimal properties and size for textile use, as well as integrating them properly by weft and warp in the weaving process. In addition, a dynamism was observed in the textile that could considerably increase comfort in upholstery applications for vehicle seats.

(Català) Els darrers anys s'han realitzat nombrosos estudis sobre els tèxtils funcionals per la seva capacitat per adaptar-se i interactuar amb l'entorn. En particular, s'ha prestat una atenció especial als tèxtils dinàmics que incorporen materials amb memòria de forma (SMM). Els estudis més avançats en aquest camp aborden l'ús d'aliatges amb memòria de forma (SMA) o l'ús d'acabats polimèrics amb memòria de forma (SMP), analitzant en profunditat el dinamisme de la memòria de forma i els beneficis, principalment en termes de confort i protecció. No obstant això, malgrat el ràpid desenvolupament experimentat pels SMPs a causa de la seva versatilitat, baix cost i fàcil transformació en diferents formats com escumes, gels o films, la seva integració en forma de fils monofilament/multifilament en tèxtils encara no ha estat estudiada en profunditat. Aquesta integració presenta importants reptes de fabricació a nivell industrial, tant en l'obtenció de fibres de finor adequada que conservin les seves propietats físiques i el seu efecte de memòria de forma (SME), com en la seva integració posterior en tèxtils. Actualment s'estan duent a terme estudis per millorar-ne la processabilitat i les propietats dels fils SMP, basats en poliuretans amb memòria de forma (SMPU), amb l'objectiu d'aconseguir un rendiment òptim i una producció industrial. No obstant això, la investigació sobre l'aplicació dels fils de SMPU en tèxtils i les seves possibles aplicacions continua sent força limitada, per la qual cosa cal continuar investigant en aquest àmbit. Aquest estudi se centra en el desenvolupament de tèxtils dinàmics mitjançant la integració de fils SMPU per tal d'augmentar el confort als seients dels vehicles. La investigació es va organitzar en tres fases: la fabricació del fil SMPU, la incorporació dels fils a teixits calats i l'aplicació proposada. La primera fase de la investigació es va basar en el desenvolupament i la caracterització de fils de SMPU òptims per al seu ús en aplicacions tèxtils. Per això, es va estudiar un sistema de producció de fils SMPU industrialitzable, que incloïa la programació de la forma permanent i la configuració de la forma temporal en un únic procés. Es van analitzar diferents velocitats de bobinatge del fil, així com el fil pur i el fil compost, que es va fabricar utilitzant additius, com ara nanotubs de carboni de paret múltiple (MWCNT) i negre de fum (CB), a partir de grànuls comercials de SMPU. Aquestes variacions de velocitat i composició van proporcionar una àmplia gamma de fils de SMPU òptims per al seu ús en tèxtils, cosa que va permetre seleccionar el fil més adequat en funció dels requisits de cada aplicació. La segona fase de recerca es va centrar en la fabricació de teixits dinàmics mitjançant la integració de diferents proporcions de fils de SMPU i fils de polièster (PES) en teixits calats. L'objectiu va ser avaluar l'impacte del contingut de fil de SMPU i la seva integració al teixit en termes de confort tèrmic, efecte de memòria de forma (SME) i resistència mecànica. La tercera fase de l’estudi es va centrar en l’aplicació de tèxtils dinàmics en una aplicació innovadora com la tapisseria dels seients dels vehicles. El dinamisme d'aquests tèxtils, produït per deformació elàstica, ofereix una solució potencial a un problema que afecta els usuaris, preocupa el sector de l'automoció i, per tant, té un impacte significatiu en la seguretat. Per assolir l'objectiu, es van desenvolupar tres estructures de teixit calada utilitzant una combinació de SMPU/PES (25:75) amb diferents lligaments. Els resultats van evidenciar la possibilitat d'obtenir fils de SMPU amb propietats i mida òptims per a ús tèxtil, així com integrar-los adequadament per trama i ordit en el procés de teixit. A més, es va observar un dinamisme al tèxtil que podria augmentar considerablement el confort en aplicacions de tapisseria per a seients de vehicles.

(Español) En los últimos años se han realizado numerosos estudios sobre los textiles funcionales por su capacidad para adaptarse e interactuar con el entorno. En particular, se ha prestado especial atención a los textiles dinámicos que incorporan materiales con memoria de forma (SMM). Los estudios más avanzados en este campo abordan el uso de aleaciones con memoria de forma (SMA) o el empleo de acabados poliméricos con memoria de forma (SMP), analizando en profundidad el dinamismo de la memoria de forma y sus beneficios, principalmente en términos de confort y protección. Sin embargo, a pesar del rápido desarrollo experimentado por los SMPs debido a su versatilidad, bajo coste y fácil transformación en diferentes formatos como espumas, geles o films, su integración en forma de hilos monofilamento/multifilamento en textiles aún no ha sido estudiada en profundidad. Esta integración presenta importantes retos de fabricación a nivel industrial, tanto en la obtención de fibras de finura adecuada que conserven sus propiedades físicas y su efecto de memoria de forma (SME), como en su posterior integración en textiles. Actualmente se están llevando a cabo estudios para mejorar su procesabilidad y las propiedades de los hilos SMP, basados en poliuretanos con memoria de forma (SMPU), con el objetivo de conseguir un rendimiento óptimo y una producción industrial. Sin embargo, la investigación sobre la aplicación de los hilos de SMPU en textiles y sus posibles aplicaciones sigue siendo bastante limitada, por lo que es necesario seguir investigando en este ámbito. Este estudio se centra en el desarrollo de textiles dinámicos mediante la integración de hilos SMPU con el fin de aumentar el confort en los asientos de los vehículos. La investigación se organizó en tres fases: la fabricación del hilo SMPU, la incorporación de los hilos en tejidos calados y la aplicación propuesta. La primera fase de la investigación se basó en el desarrollo y la caracterización de hilos de SMPU óptimos para su uso en aplicaciones textiles. Para ello, se estudió un sistema de producción de hilos SMPU industrializable, que incluía la programación de la forma permanente y la configuración de la forma temporal en un único proceso. Se analizaron diferentes velocidades de bobinado del hilo, así como el hilo puro y el hilo compuesto, que se fabricó utilizando aditivos, como nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) y negro de humo (CB), a partir de gránulos comerciales de SMPU. Estas variaciones de velocidad y composición proporcionaron una amplia gama de hilos de SMPU óptimos para su uso en textiles, lo que permitió seleccionar el hilo más adecuado en función de los requisitos de cada aplicación. La segunda fase de investigación se centró en la fabricación de tejidos dinámicos mediante la integración de diferentes proporciones de hilos de SMPU e hilos de poliéster (PES) en tejidos calados. El objetivo fue evaluar el impacto del contenido de hilo de SMPU y su integración en el tejido en términos de confort térmico, efecto de memoria de forma (SME) y resistencia mecánica. La tercera fase del estudio se centró en la aplicación de textiles dinámicos en una aplicación innovadora como la tapicería de los asientos de los vehículos. El dinamismo de estos textiles, producido por deformación elástica, ofrece una solución potencial a un problema que afecta a los usuarios, preocupa en el sector de la automoción y, por tanto, tiene un impacto significativo en la seguridad. Para lograr el objetivo, se desarrollaron tres estructuras de tejido calada utilizando una combinación de SMPU/PES (25:75) con diferentes ligamentos. Los resultados evidenciaron la posibilidad de obtener hilos de SMPU con propiedades y tamaño óptimos para uso textil, así como de integrarlos adecuadamente por trama y urdimbre en el proceso de tejido. Además, se observó un dinamismo en el textil que podría aumentar considerablemente el confort en aplicaciones de tapicería para asientos de vehículos.