Strickbares E-Garn für waschbare Wearables

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Die Beschichtung von Cellulosegarn mit leitfähigen Mxen-Flocken erzeugt ein hochleitfähiges und langlebiges Material.
Die Beschichtung von Cellulosegarn mit leitfähigen Mxen-Flocken erzeugt ein hochleitfähiges und langlebiges Material. (Bild: drexel.edu)

Wearables in Kleidung sind zwar praktisch, aber können sperrig und unangenehm im Tragekomfort sein. Zwei Forschergruppen haben dafür Garn so verändert, dass neue Funktionen in Stoffe eingestrickt werden können, ohne deren Tragbarkeit einzuschränken.

In einem kürzlich in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlichten Beitrag zeigten die Forscher unter der Leitung von Yury Gogotsi, Institutsleiter für Nanomaterialien an der Drexel University, und Genevieve Dion, Direktor des Drexel‘s Center for Functional Fabrics, dass sie ein hochleitfähiges, langlebiges Garn herstellen können. Das gelang ihnen, indem sie Standardgarne auf Zellulosebasis mit einer Art leitfähigem zweidimensionalen Material namens Mxene beschichten.

Was sind Mxene?

In der Materialwissenschaft sind Mxene eine Klasse von zweidimensionalen anorganischen Verbindungen. Diese Materialien bestehen aus wenigen Atomen dicken Schichten von Übergangsmetallcarbiden, Nitriden oder Carbonitriden. Mxene, die erstmals 2011 beschrieben wurden, kombinieren die metallische Leitfähigkeit von Übergangsmetallkarbiden und die hydrophile Natur aufgrund ihrer Hydroxyl- oder Sauerstoff-Endoberflächen.

„Aktuelle Wearables verwenden herkömmliche Batterien, die sperrig und unbequem sind und dem Endprodukt Designbeschränkungen auferlegen können“, schreiben die Forscher. „Daher bietet die Entwicklung flexibler, elektrochemisch und elektromechanisch aktiver Garne, die zu Vollgeweben verarbeitet und verstrickt werden können, neue und praktische Erkenntnisse für die skalierbare Herstellung von textilbasierten Geräten.“

Das Team berichtete, dass sein leitfähiges Garn mehr leitfähiges Material in die Fasern packt und mit einer Standardindustrie-Strickmaschine gestrickt werden kann, um ein Textil mit erstklassigen elektrischen Leistungsmöglichkeiten herzustellen. Diese Kombination aus Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit hebt sich heute vom Rest des Bereichs Funktionsgewebe ab.

Gar nicht so einfach – Textilien in tragbare Technologien verwandeln

Die meisten Versuche, Textilien in tragbare Technologien zu verwandeln, verwenden steife Metallfasern, die die Textur und das physikalische Verhalten des Gewebes verändern. Andere Versuche, leitfähige Textilien aus Silber-Nanopartikeln und Graphen und anderen Kohlenstoffmaterialien herzustellen, werfen Umweltprobleme auf und erfüllen nicht die Leistungsanforderungen. Und die Beschichtungsverfahren, die erfolgreich in der Lage sind, genügend Material auf ein textiles Substrat aufzubringen, um es hochleitfähig zu machen, neigen auch dazu, die Garne und Gewebe zu spröde zu machen, um normalen Belastungen standzuhalten.

Yury Gogotsi hat bereits 2011 die hochleitfähige zweidimensionale Materialien, die sogenannten Mxenes, entdeckt und erforscht seitdem ihre außergewöhnlichen Eigenschaften und Anwendungen.

Die entwickelten langlebigen, leitfähigen Garne ermöglichen es, Wearables so zu entwickeln, die sowohl funktionell als auch modisch sind.
Die entwickelten langlebigen, leitfähigen Garne ermöglichen es, Wearables so zu entwickeln, die sowohl funktionell als auch modisch sind. (Bild: drexel.edu)

Innovative Funktionsgarne sollten dem Waschen standhalten

Gogotsi arbeitete mit Genevieve Dion zusammen, um sich der Herausforderung zu stellen, ein leitfähiges Garn herzustellen, das dem Stricken, Tragen und Waschen standhält. „Einige der größten Herausforderungen in unserem Bereich sind die Entwicklung innovativer Funktionsgarne im Maßstab, die robust genug sind, um in den Textilherstellungsprozess integriert zu werden und dem Waschen standzuhalten“, sagte Dion.

Sie fährt fort: „Wir glauben, dass der Nachweis der Herstellbarkeit eines neuen leitfähigen Garns während der Versuchsphase entscheidend ist. Hohe elektrische Leitfähigkeit und elektrochemische Leistung sind wichtig, aber auch leitfähige Garne, die durch einen einfachen und skalierbaren Prozess mit geeigneten mechanischen Eigenschaften für die textile Integration hergestellt werden können.“ Für die erfolgreiche Entwicklung der nächsten Gerätegeneration, die wie Alltagskleidung getragen werden können, müsse alles berücksichtigt werden.

Die Drexel-Forscher haben Cellulosegarn mit Flocken aus einem zweidimensionalen Material, genannt MXene, zu beschichten. Damit kann es zu Funktionsgeweben verarbeitet werden.
Die Drexel-Forscher haben Cellulosegarn mit Flocken aus einem zweidimensionalen Material, genannt MXene, zu beschichten. Damit kann es zu Funktionsgeweben verarbeitet werden. (Bild: drexel.edu)

Seminartipp

Das Seminar Systematische Werkstoffauswahl vermittelt die Beziehung zwischen Werkstoffherstellung, Werkstoffstruktur und den daraus resultierenden Materialeigenschaften. Ziel ist es, eine gesamtheitliche Darstellung des Werkstoffauswahlprozesses vorzustellen, ausgehend von der Erstellung eines Anforderungsprofils, der Vorauswahl bis hin zur Feinauswahl und Risikobetrachtung.

Leitfähige Garne auf Cellulosebasis

Das Team entwickelte die leitfähigen Garne aus drei gängigen Garnen auf Cellulosebasis: Baumwolle, Bambus und Leinen. Sie trugen das Mxene-Material mittels Tauchbeschichtung, einer Standardfärbemethode, auf, bevor sie es auf einer industriellen Strickmaschine durch Stricken von Vollstoffen testeten.

Jede Garnart wurde in drei verschiedene Stoffmuster mit drei verschiedenen Maschenmustern gestrickt – Single Jersey, Halbmuster und Interlock – um sicherzustellen, dass sie langlebig genug ist, um in jedem Textil zu halten, von einem eng gestrickten Pullover bis hin zu einem lose gestrickten Schal.

Jede Garnart wurde in drei verschiedene Stoffmuster mit drei verschiedenen Maschenmustern - Single Jersey, Halbmuster und Interlock - gestrickt.
Jede Garnart wurde in drei verschiedene Stoffmuster mit drei verschiedenen Maschenmustern - Single Jersey, Halbmuster und Interlock - gestrickt. (Bild: drexel.edu)

„Die Fähigkeit, mit MXen beschichtete Garne auf Zellulosebasis mit unterschiedlichen Maschenmustern zu stricken, ermöglichte es uns, die Stoffeigenschaften wie Porosität und Dicke für verschiedene Anwendungen zu kontrollieren“, schreiben die Forscher.

Um die neuen Garne in einer technologischen Anwendung zu testen, strickte das Team einige berührungsempfindliche Textilien - die von Levi's und Yves Saint Laurent im Rahmen des Google-Projekts Jacquard erforscht werden.

Die leitfähigen Garne auf MXen-Basis hielten nicht nur dem Verschleiß der industriellen Strickmaschinen stand, sondern die produzierten Stoffe überlebten auch eine Reihe von Tests, um ihre Haltbarkeit zu beweisen. Das Ziehen, Verdrehen, Biegen und vor allem Waschen habe die Berührungsfähigkeit des Garns nicht geschmälert, berichtete das Team - auch nach Dutzenden von Fahrten durch den Spinnzyklus.

Energiespeicher und Antennen für Wearables ebenfalls aus Stoff

In die Mxen-beschichtete leitfähige Garne lassen sich zudem alle Funktionen nahtlos in die Textilien integrieren. Anstatt also eine externe Batterie hinzufügen zu müssen, um das tragbare Gerät mit Strom zu versorgen oder es drahtlos mit dem Smartphone zu verbinden, würden diese Energiespeicher und Antennen ebenfalls aus Stoff bestehen - eine Integration, die zwar buchstäblich genäht ist, aber einen viel einfacheren Weg darstellt, die Technologie zu integrieren.

Der Einsatz von leitfähigen Garnen bedeutet auch, dass eine größere Vielfalt an technologischen Anpassungen und Innovationen durch den Strickprozess möglich ist. So kann beispielsweise „die Leistung des gestrickten Drucksensors in Zukunft weiter verbessert werden, indem Garntyp, Maschenbild, aktive Materialbeladung und die dielektrische Schicht so verändert werden, dass höhere Kapazitätsänderungen entstehen“, so die Autoren.

Nächster Schritt: Beschichtungsprozess optimieren

Das Team von Dion am Center for Functional Fabrics testet diese Entwicklung bereits in einer Reihe von Projekten, darunter eine Zusammenarbeit mit dem Textilhersteller Apex Mills, einem Hersteller von Materialien für Autositze und Innenräume. Und Gogotsi schlägt vor, dass der nächste Schritt für diese Arbeit darin besteht, den Beschichtungsprozess so zu optimieren, dass dem Garn genau die richtige Menge an leitfähigem Mxen-Material für bestimmte Anwendungen hinzugefügt wird.

Die Beschichtung von Cellulosegarn mit leitfähigen Mxen-Flocken erzeugt ein hochleitfähiges und langlebiges Material.
Die Beschichtung von Cellulosegarn mit leitfähigen Mxen-Flocken erzeugt ein hochleitfähiges und langlebiges Material. (Bild: drexel.edu)

„Mit diesem Mxene-Garn sind so viele Anwendungen möglich“, sagte Gogotsi. „Man könnte Autositze damit herstellen, damit das Auto die Größe und das Gewicht des Beifahrers kennt, um die Sicherheitseinstellungen zu optimieren; Textildrucksensoren könnten in Sportbekleidung verwendet werden, um die Leistung zu überwachen, oder in Teppiche eingewebt sein, um angeschlossenen Häusern zu helfen, zu erkennen, wie viele Menschen zu Hause sind.“

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Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal Elektrotechnik.

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