Materialien der Zukunft: Graphen und Textilien

Diese Kleidung wird von immer mehr Profi- und Amateursportlern gewählt und bietet vielseitige, leichte und robuste Materialien mit interessanten Wärme- und Leitfähigkeitseigenschaften. Einige olympische Athleten in Tokio 2020 trugen Graphenstoffe wegen ihres Komforts und ihrer leichten Eigenschaften.

Graphen ist ein ausgezeichneter Wärmeleiter und daher ideal für beheizte Winterkleidung. Graphen speichert die Wärme bei kaltem Wetter und gibt die Wärme in warmen Umgebungen ab. Graphenfasern sind außerdem wasserdicht und somit geeignete Alternativen für Neoprenanzüge und Badebekleidung.

Auch die Textilindustrie kann die Eigenschaften von Graphen nutzen, um tragbare Elektronik herzustellen, die Informationen über den Körper und Umgebungsdaten erkennen, analysieren und übertragen kann und lebensverändernde Anwendungen in der Medizin, im Sport und anderen Bereichen haben kann.

Hier sind einige Beispiele für Textilien mit Graphen, die entweder auf dem Markt erhältlich sind oder sich in der Entwicklung befinden.

Die globale Sportbekleidungsmarke Umbro hat die Graphene-Wear™-Technologie des Graphene-Flaggschiffpartners Versarien in die Elite Pro-Training Kit-Reihe seiner Frühjahrs-/Sommerkollektion 2023 integriert. Graphene-Wear™ verfügt über neuartige Eigenschaften, die es dem Träger ermöglichen, eine verbesserte Wärmeübertragung, ein besseres Feuchtigkeitsmanagement und eine verbesserte Trocknungsgeschwindigkeit zu erleben, ohne die Luft- oder Wasserdampfdurchlässigkeit zu beeinträchtigen.

Kürzlich wurde Graphene Wear™ auch vom unabhängigen Zertifizierungssystem OEKO-TEX® zertifiziert. Die Erlangung des OEKO-TEX® Eco Passport bedeutet, dass Graphene Wear™ ein ökologisch verantwortungsvolles Textil ist, die relevanten gesetzlichen Anforderungen und Standards der Textilindustrie erfüllt und nicht schädlich für die menschliche Gesundheit ist.

Das in Schweden ansässige Graphene Flagship Associated Member Grafren AB testet seine Graphen-Beschichtungsmethode mit verschiedenen Textilmaterialien. Bei dieser Methode werden weder Bindemittel noch Klebstoff verwendet, um die leitfähigen Komponenten in das Gewebe einzubetten. Durch die innovative Einarbeitung von Graphenflocken in die Tiefe des Stoffes entsteht ein weiches, flexibles, hautähnliches Produkt mit kontrollierter elektrischer Leitfähigkeit. Das Unternehmen erhielt zwei Patente für die Herstellung der Graphen-Tinte und die Beschichtung des Stoffes und hat seine eigene einzigartige Ausrüstung für die Graphen-Beschichtung entwickelt. Derzeit kann es Stoffe mit einer Breite von bis zu zwei Metern im Rolle-zu-Rolle-Modus behandeln.

Das Unternehmen hat drei Graphen-Textilprodukte in der Pipeline: elektrisch beheizbare Textilien (G-Heatex), die zur Kommerzialisierung bereit sind, ultraleichte Tarnbekleidung und Drucküberwachungsstoffe für die digitale Gesundheitsversorgung.

In jüngerer Zeit wandte Grafren seinen Ansatz auf natürliche Textilfasern wie Flussmittel, Jute und Hanf an und erzielte positive Ergebnisse. „Sobald sich die Effizienz bewährt hat, kann dies die Kommerzialisierung von ‚grünen‘ Verbundwerkstoffen grundlegend verändern“, sagt Erik Khranovskyy, CEO von Grafren.

Mit Graphen beschichteter Hanfstoff (Quelle: Grafren AB).

Die Forscher im Flexible Electronics Work Package des Graphene Flagship entwickeln mit Graphen angereicherte leitfähige Polyestergarne (Polyethylenterephthalat, PET). Das finnische Institut VTT erhält graphenbasierte Schichtmaterialien von der Universität Cambridge (Großbritannien) und verbindet sie mit PET. Anschließend wird das Material von der deutschen Firma Trevira gesponnen und zu einem Stoff gewebt. Bei technisch-ökonomischem Erfolg dürfte dieses Material zu einer neuen Art von leichtem, leitfähigem Garn werden.

Mit Graphen angereicherter Stoff fungiert als Drucksensor und wurde auf die Schuhsohlen aufgebracht. (Quelle: Trevira)

Wie im ersten Teil dieser Reihe „Materialien der Zukunft“ besprochen, stellt Graphen eine hervorragende Alternative zu Metallen dar. Dieses umweltfreundliche, starke, leicht verfügbare und hochleitfähige Material ist bereit, ein breites Anwendungsspektrum zu revolutionieren, insbesondere im Bereich der tragbaren Technologien. Die elektronischen Komponenten tragbarer Technologien werden derzeit mit metallbasierten Tinten hergestellt, die teuer (z. B. Silber und Gold), umweltschädlich und anfällig für Oxidation sein können. Der Ersatz dieser Metalle durch Graphen würde diese Herausforderungen angehen und zahlreiche Vorteile bieten, was es zur idealen Wahl für die Zukunft tragbarer Technologien macht.

Besonders interessant für die Gesundheitsüberwachung sind tragbare Dehnungs- und Drucksensoren. Beispielsweise stellte ein Team unter der Leitung von Forschern des Graphen-Flaggschiffpartners der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden eine leitfähige Tinte mit Graphenflocken, ungiftigen Lösungsmitteln und einem dehnbaren thermoplastischen Bindemittel aus Polyurethan her. Die Tinte bleibt auch bei 100 % Belastung leitfähig und ist über 1.000 Zyklen bei 20–50 % Belastung, was der Dehnung der menschlichen Haut entspricht, äußerst stabil.

Widerstands-Dehnungs-Kurve gedruckter Spuren auf einem Armband, die eine hervorragende Dehnbarkeit und Haltbarkeit des Materials über viele Zyklen hinweg zeigt.

Die Kombination aus hoher Leitfähigkeit, Dehnbarkeit und Haltbarkeit macht diese Leiter zu vielversprechenden Kandidaten für die Anwendung in Armbändern zur Schweißerkennung oder Pulsüberwachung, On-Body-Heizgeräten, intelligenter Sportbekleidung, tragbaren Stromquellen und tragbaren EKG-Sensoren. Das Team um VTT arbeitet außerdem an einem Shirt zur Herzüberwachung. Dies kann medizinischem Fachpersonal dabei helfen, verschiedene Gesundheitszustände zu diagnostizieren und zu behandeln, während Sportler ihre sportliche Leistung analysieren und verbessern sowie ihre Fitness und Fortschritte verfolgen können.

Es wird erwartet, dass Trockenelektroden auf Graphenbasis mit aufgedrucktem Graphen für Elektrokardiogramm-Messungen (EKG) die menschliche Gesundheit auf eine Weise überwachen können, die in der Vergangenheit aufgrund der Einschränkungen herkömmlicher leitfähiger Elektroden, die dicht, nicht atmungsaktiv, stark und robust sind, nicht möglich war starr (Quelle: VTT).

Wissenschaftsjournalist und Koordinator der Initiative „Diversity in Graphene“.

Mit Graphen beschichteter Hanfstoff (Quelle: Grafren AB).

Mit Graphen angereicherter Stoff fungiert als Drucksensor und wurde auf die Schuhsohlen aufgebracht. (Quelle: Trevira)

Widerstands-Dehnungs-Kurve gedruckter Spuren auf einem Armband, die eine hervorragende Dehnbarkeit und Haltbarkeit des Materials über viele Zyklen hinweg zeigt.

Es wird erwartet, dass Trockenelektroden auf Graphenbasis mit aufgedrucktem Graphen für Elektrokardiogramm-Messungen (EKG) die menschliche Gesundheit auf eine Weise überwachen können, die in der Vergangenheit aufgrund der Einschränkungen herkömmlicher leitfähiger Elektroden, die dicht, nicht atmungsaktiv, stark und robust sind, nicht möglich war starr (Quelle: VTT).

Wissenschaftsjournalist und Koordinator der Initiative „Diversity in Graphene“.