Das neue Garn?! — Tragbare, waschbare Textilgeräte sind mit MXene möglich

Drexel-Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, Zellulosegarn mit Flocken aus einem leitfähigen, zweidimensionalen Material namens MXene zu beschichten, um ihm die Leitfähigkeit und Haltbarkeit zu verleihen, die es für die Verarbeitung zu Funktionsstoffen benötigt.

Es ist keine leichte Aufgabe, Funktionsstoffe herzustellen, die alle von uns gewünschten Funktionen erfüllen und gleichzeitig die Eigenschaften von Stoffen beibehalten, die wir gewohnt sind.

Zwei Gruppen von Forschern an der Drexel University – die eine leitet die Entwicklung industrieller Produktionstechniken für Funktionsstoffe, die andere ist ein Pionier bei der Erforschung und Anwendung eines der stärksten und elektrisch leitfähigsten Supermaterialien, die heute verwendet werden – glauben daran habe eine Lösung.

Sie haben ein Grundelement von Textilien verbessert: Garn. Indem das Team den Fasern, die Textilien ihren Charakter, ihre Passform und Haptik verleihen, technische Fähigkeiten hinzufügt, hat es bewiesen, dass es neue Funktionalität in Stoffe integrieren kann, ohne deren Tragbarkeit einzuschränken.

In einem kürzlich in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlichten Artikel schreiben die Forscher unter der Leitung vonYury Gogotsi, PhD, Distinguished University und Bach-Professor am Drexel College of Engineering, undGenevieve Dion, Professor am Westphal College of Media Arts & Design und Direktor des Drexel Center for Functional Fabrics, zeigte, dass sie ein hochleitfähiges, haltbares Garn herstellen können, indem sie Standardgarne auf Zellulosebasis mit einem leitfähigen zweidimensionalen Material namens MXene beschichten.

„Aktuelle Wearables verwenden herkömmliche Batterien, die sperrig und unbequem sind und Designbeschränkungen für das Endprodukt mit sich bringen können“, schreiben sie. „Daher liefert die Entwicklung flexibler, elektrochemisch und elektromechanisch aktiver Garne, die zu vollständigen Stoffen verarbeitet und gestrickt werden können, neue und praktische Erkenntnisse für die skalierbare Produktion textilbasierter Geräte.“

Das Team berichtete, dass sein leitfähiges Garn mehr leitfähiges Material in die Fasern packt und mit einer standardmäßigen industriellen Strickmaschine gestrickt werden kann, um ein Textil mit erstklassigen elektrischen Leistungsfähigkeiten herzustellen. Diese Kombination aus Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit hebt sich heute vom Rest der Funktionsstoffbranche ab.

Die meisten Versuche, Textilien in tragbare Technologien umzuwandeln, verwenden steife Metallfasern, die die Textur und das physikalische Verhalten des Stoffes verändern. Andere Versuche, leitfähige Textilien unter Verwendung von Silbernanopartikeln sowie Graphen und anderen Kohlenstoffmaterialien herzustellen, werfen Umweltbedenken auf und erfüllen die Leistungsanforderungen nicht. Und die Beschichtungsmethoden, die erfolgreich genug Material auf ein Textilsubstrat auftragen, um es hochleitfähig zu machen, neigen auch dazu, die Garne und Stoffe zu spröde zu machen, um normaler Abnutzung standzuhalten.

„Zu den größten Herausforderungen in unserem Bereich gehört die groß angelegte Entwicklung innovativer Funktionsgarne, die robust genug sind, um in den Textilherstellungsprozess integriert zu werden und dem Waschen standzuhalten“, sagte Dion. „Wir glauben, dass der Nachweis der Herstellbarkeit eines neuen leitfähigen Garns in experimentellen Phasen von entscheidender Bedeutung ist. Eine 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 Textilintegration hergestellt werden können. Für die erfolgreiche Entwicklung von Geräten der nächsten Generation, die wie Alltagskleidung getragen werden können, muss alles berücksichtigt werden.“

Dion war eine Pionierin auf dem Gebiet der tragbaren Technologie, indem sie sich auf ihren Hintergrund in Mode und Industriedesign stützte, um neue Verfahren zur Herstellung von Stoffen mit neuen technologischen Fähigkeiten zu entwickeln. Ihre Arbeit wurde vom Verteidigungsministerium gewürdigt, zu dem auch Drexel und Dion gehörten, und zwar im Rahmen seiner Bemühungen „Advanced Functional Fabrics of America“, das Land zu einem führenden Unternehmen auf diesem Gebiet zu machen.

Sie arbeitete mit Gogotsi zusammen, einem führenden Forscher auf dem Gebiet zweidimensionaler leitfähiger Materialien, um sich der Herausforderung zu stellen, ein leitfähiges Garn herzustellen, das dem Stricken, Tragen und Waschen standhält.

Gogotsis Gruppe war Teil des Drexel-Teams, das 2011 hochleitfähige zweidimensionale Materialien namens MXenes entdeckte und seitdem deren außergewöhnliche Eigenschaften und Anwendungen erforscht. Seine Gruppe hat gezeigt, dass sie MXene synthetisieren kann, die sich mit Wasser mischen, um Tinten und Sprühbeschichtungen ohne Zusatzstoffe oder Tenside herzustellen – eine Entdeckung, die sie zu einem natürlichen Kandidaten für die Herstellung leitfähiger Garne machte, die in Funktionsstoffen verwendet werden könnten.

„Forscher haben das Hinzufügen von Graphen- und Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Beschichtungen zu Garn untersucht, unsere Gruppe hat sich in der Vergangenheit auch mit einer Reihe von Kohlenstoffbeschichtungen befasst“, sagte Gogotsi. „Aber das Niveau der Leitfähigkeit, das wir mit MXenes demonstrieren, zu erreichen, war bisher nicht möglich. Es nähert sich der Leitfähigkeit von mit Silber-Nanodrähten beschichteten Garnen, doch die Verwendung von Silber in der Textilindustrie ist aufgrund seiner Auflösung und schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt stark eingeschränkt. Darüber hinaus könnten MXenes verwendet werden, um Textilien die Fähigkeit zur Speicherung elektrischer Energie, die Sensorik, die Abschirmung elektromagnetischer Störungen und viele andere nützliche Eigenschaften zu verleihen.“

In seiner Grundform sieht Titancarbid MXene aus wie ein schwarzes Pulver. Tatsächlich besteht es jedoch aus nur wenige Atome dicken Flocken, die in verschiedenen Größen hergestellt werden können. Größere Flocken bedeuten mehr Oberfläche und höhere Leitfähigkeit. Daher stellte das Team fest, dass es möglich war, die Leistung des Garns zu steigern, indem die einzelnen Fasern mit kleineren Flocken infiltriert und das Garn selbst dann mit einer Schicht aus MXene mit größeren Flocken beschichtet wurden.

Das Team stellte die leitfähigen Garne aus drei gängigen Garnen auf Zellulosebasis her: Baumwolle, Bambus und Leinen. Sie trugen das MXene-Material mittels Tauchbeschichtung auf, einer Standard-Färbemethode, bevor sie es testeten, indem sie ganze Stoffe auf einer industriellen Strickmaschine strickten – die Art, die für die Herstellung der meisten Pullover und Schals verwendet wird, die Sie diesen Herbst sehen werden.

Jeder Garntyp wurde in drei verschiedene Stoffmuster mit drei unterschiedlichen Stichmustern gestrickt – Single Jersey, Half Gauge und Interlock – um sicherzustellen, dass sie langlebig genug sind, um in jedem Textil zu halten, vom eng gestrickten Pullover bis zum locker gestrickten Schal.

„Die Möglichkeit, mit MXene beschichtete Garne auf Zellulosebasis mit unterschiedlichen Stichmustern zu stricken, ermöglichte es uns, die Stoffeigenschaften wie Porosität und Dicke für verschiedene Anwendungen zu steuern“, schreiben die Forscher.

Um die neuen Fäden in einer technologischen Anwendung zu testen, strickte das Team einige berührungsempfindliche Textilien – die Art, die Levi's und Yves Saint Laurent im Rahmen von Googles Project Jacquard erforschen.

Die auf MXene basierenden leitfähigen Garne hielten nicht nur dem Verschleiß der industriellen Strickmaschinen stand, sondern die hergestellten Stoffe überstanden auch eine Reihe von Tests, um ihre Haltbarkeit zu beweisen. Das Team berichtete, dass das Zerren, Drehen, Biegen und – was am wichtigsten ist – Waschen die Tastfähigkeit des Garns nicht beeinträchtigte – selbst nach Dutzenden Durchgängen durch den Schleudergang.

Die Forscher gehen jedoch davon aus, dass der ultimative Vorteil der Verwendung von MXene-beschichteten leitfähigen Garnen zur Herstellung dieser Spezialtextilien darin besteht, dass die gesamte Funktionalität nahtlos in die Textilien integriert werden kann. Anstatt also einen externen Akku hinzuzufügen, um das tragbare Gerät mit Strom zu versorgen oder es drahtlos mit Ihrem Smartphone zu verbinden, würden diese Energiespeicher und Antennen ebenfalls aus Stoff bestehen – eine Integration, die zwar buchstäblich nahtlos, aber viel reibungsloser ist die Technologie zu integrieren.

„Elektrisch leitende Garne sind für tragbare Anwendungen von entscheidender Bedeutung, da sie so konstruiert werden können, dass sie bestimmte Funktionen in einer Vielzahl von Technologien erfüllen“, schreiben sie.

Durch den Einsatz leitfähiger Garne sind auch vielfältigere technologische Anpassungen und Innovationen über den Strickprozess möglich. Beispielsweise „kann die Leistung des gestrickten Drucksensors in Zukunft weiter verbessert werden, indem der Garntyp, das Maschenmuster, die aktive Materialbeladung und die dielektrische Schicht geändert werden, um höhere Kapazitätsänderungen zu erzielen“, so die Autoren.

Dions Team am Center for Functional Fabrics erprobt diese Entwicklung bereits in mehreren Projekten, unter anderem in einer Zusammenarbeit mit dem Textilhersteller Apex Mills – einem der führenden Hersteller von Materialien für Autositze und Innenausstattung. Und Gogotsi schlägt vor, dass der nächste Schritt dieser Arbeit darin bestehen wird, den Beschichtungsprozess so abzustimmen, dass dem Garn genau die richtige Menge an leitfähigem MXene-Material für bestimmte Anwendungen hinzugefügt wird.

„Mit diesem MXene-Garn sind so viele Anwendungen möglich“, sagte Gogotsi. „Man kann darüber nachdenken, damit Autositze herzustellen, damit das Auto die Größe und das Gewicht des Passagiers kennt, um die Sicherheitseinstellungen zu optimieren; Textile Drucksensoren könnten in Sportbekleidung eingesetzt werden, um die Leistung zu überwachen, oder in Teppiche eingewebt werden, um vernetzten Häusern dabei zu helfen, zu erkennen, wie viele Menschen zu Hause sind – Ihrer Fantasie sind keine Grenzen gesetzt.“

Neben Gogotsi und Dion sind die Doktoranden des Drexel College of Engineering Simge Uzun, Mohamed Alhabeb, Ariana S. Levitt und Mark Anayee; Amy L. Stoltzfus, Masterstudentin am Westphal College; Christina J. Strobel, Studentin am College of Engineering; und Joselito M. Razal sowie Shayan Seyedin, Forscher an der Deakin University in Australien, haben zu dieser Forschung beigetragen. Die Arbeit wurde vom US-Energieministerium unterstützt.

Lesen Sie den vollständigen Artikel hier: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201905015

Drexel News wird von University Marketing and Communications produziert.

Medienbeziehungen

Einreichungsrichtlinien