Functionele stoffen produceren die alle functies vervullen die we willen, met behoud van de eigenschappen van de stof die we gewend zijn, is geen gemakkelijke taak.

Twee groepen onderzoekers aan de Drexel University - een, die de ontwikkeling leidt van industriële productietechnieken voor functionele stoffen, en de andere, een pionier in de studie en toepassing van een van de sterkste, de meeste elektrisch geleidende supermaterialen die tegenwoordig worden gebruikt - geloof dat ze een oplossing hebben.

Ze hebben een basiselement van textiel verbeterd:garen. Door technische mogelijkheden toe te voegen aan de vezels die textiel hun karakter geven, passen en voelen, het team heeft aangetoond dat het nieuwe functionaliteit in stoffen kan breien zonder hun draagbaarheid te beperken.

In een paper onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen , de onderzoekers, onder leiding van Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Bach professor aan Drexel's College of Engineering, en Geneviève Dion, een universitair hoofddocent aan het Westphal College of Media Arts &Design en directeur van Drexel's Centre for Functional Fabrics, toonden aan dat ze een zeer geleidende, duurzaam garen door standaard op cellulose gebaseerde garens te coaten met een soort geleidend tweedimensionaal materiaal genaamd MXene.

haken en ogen raken

"Huidige wearables maken gebruik van conventionele batterijen, die omvangrijk en oncomfortabel zijn, en kan ontwerpbeperkingen opleggen aan het eindproduct, ' schrijven ze. 'Daarom, de ontwikkeling van flexibele, elektrochemisch en elektromechanisch actieve garens, die kunnen worden ontworpen en gebreid tot volledige stoffen, bieden nieuwe en praktische inzichten voor de schaalbare productie van op textiel gebaseerde apparaten."

Het team meldde dat het geleidende garen meer geleidend materiaal in de vezels verpakt en kan worden gebreid door een standaard industriële breimachine om een ​​textiel te produceren met eersteklas elektrische prestatiemogelijkheden. Deze combinatie van bekwaamheid en duurzaamheid onderscheidt zich van de rest van het functionele textielveld van vandaag.

De meeste pogingen om textiel om te zetten in draagbare technologie maken gebruik van stijve metaalvezels die de textuur en het fysieke gedrag van de stof veranderen. Andere pogingen om geleidend textiel te maken met behulp van zilveren nanodeeltjes en grafeen en andere koolstofmaterialen leiden tot bezorgdheid over het milieu en schieten tekort op het gebied van prestatie-eisen. En de coatingmethoden die erin slagen om voldoende materiaal op een textielsubstraat aan te brengen om het zeer geleidend te maken, hebben ook de neiging om de garens en stoffen te broos te maken om normale slijtage te weerstaan.

"Enkele van de grootste uitdagingen in ons vakgebied zijn het op grote schaal ontwikkelen van innovatieve functionele garens die robuust genoeg zijn om te worden geïntegreerd in het textielproductieproces en bestand zijn tegen wassen, Dion zei. „Wij geloven dat het aantonen van de produceerbaarheid van om het even welk nieuw geleidend garen tijdens experimentele stadia van cruciaal belang is. Hoge elektrische geleidbaarheid en elektrochemische prestaties zijn belangrijk, maar dat geldt ook voor geleidende garens die kunnen worden geproduceerd door een eenvoudig en schaalbaar proces met geschikte mechanische eigenschappen voor textielintegratie. Alles moet in overweging worden genomen voor de succesvolle ontwikkeling van de volgende generatie apparaten die als alledaagse kleding kunnen worden gedragen."

De winnende combinatie

Dion is een pionier op het gebied van draagbare technologie, door gebruik te maken van haar achtergrond in mode en industrieel ontwerp om nieuwe processen te produceren voor het maken van stoffen met nieuwe technologische mogelijkheden. Haar werk is erkend door het Ministerie van Defensie, waaronder Drexel, en Dion, in zijn Advanced Functional Fabrics of America-inspanning om van het land een leider in het veld te maken.

Ze werkte samen met Gogotsi, die een vooraanstaand onderzoeker is op het gebied van tweedimensionale geleidende materialen, om de uitdaging aan te gaan om een ​​geleidend garen te maken dat bestand is tegen breien, dragen en wassen.

Gogotsi's groep maakte deel uit van het Drexel-team dat zeer geleidende tweedimensionale materialen ontdekte, genaamd MXenes, in 2011 en hebben sindsdien hun uitzonderlijke eigenschappen en toepassingen voor hen onderzocht. Zijn groep heeft aangetoond dat het MXenen kan synthetiseren die zich met water vermengen om inkten en spraycoatings te creëren zonder toevoegingen of oppervlakteactieve stoffen - een openbaring waardoor ze een natuurlijke kandidaat waren voor het maken van geleidend garen dat kan worden gebruikt in functionele stoffen.

"Onderzoekers hebben onderzoek gedaan naar het toevoegen van grafeen- en koolstofnanobuiscoatings aan garen, onze groep heeft in het verleden ook een aantal koolstofcoatings bekeken, "Zei Gogotsi. "Maar het bereiken van het niveau van geleidbaarheid dat we demonstreren met MXenes was tot nu toe niet mogelijk. Het nadert de geleidbaarheid van zilveren nanodraad-gecoate garens, maar het gebruik van zilver in de textielindustrie is ernstig beperkt vanwege het oplossen ervan en het schadelijke effect op het milieu. Bovendien, MXenes kunnen worden gebruikt om de opslagcapaciteit voor elektrische energie toe te voegen, voelen, afscherming tegen elektromagnetische interferentie en vele andere nuttige eigenschappen voor textiel."

In zijn basisvorm, titaniumcarbide MXene ziet eruit als een zwart poeder. Maar het is eigenlijk samengesteld uit vlokken die slechts een paar atomen dik zijn, die in verschillende maten kan worden geproduceerd. Grotere vlokken betekenen meer oppervlakte en grotere geleidbaarheid, dus ontdekte het team dat het mogelijk was om de prestaties van het garen te verbeteren door de afzonderlijke vezels te infiltreren met kleinere vlokken en vervolgens het garen zelf te coaten met een laag MXene met grotere vlokken.

Het op de proef stellen

Het team creëerde de geleidende garens van drie veelvoorkomende, op cellulose gebaseerde garens:katoen, bamboe en linnen. Ze brachten het MXene-materiaal aan via dompelcoating, wat een standaard verfmethode is, voordat je ze test door volledige stoffen te breien op een industriële breimachine - het soort dat wordt gebruikt om de meeste truien en sjaals te maken die je dit najaar zult zien.

Elk type garen werd in drie verschillende stofstalen gebreid met behulp van drie verschillende steekpatronen:single jersey, halve maat en interlock - om ervoor te zorgen dat ze duurzaam genoeg zijn om in elk textiel te passen, van een strak gebreide trui tot een losgebreide sjaal.

"De mogelijkheid om MXene-gecoate cellulosegarens met verschillende steekpatronen te breien, stelde ons in staat om de stofeigenschappen te controleren, zoals porositeit en dikte voor diverse toepassingen, ', schrijven de onderzoekers.

Om de nieuwe threads te testen in een technologische toepassing, het team breide wat aanraakgevoelig textiel, het soort dat wordt onderzocht door Levi's en Yves Saint Laurent als onderdeel van Google's Project Jacquard.

Niet alleen hielden de op MXene gebaseerde geleidende garens bestand tegen de slijtage van de industriële breimachines, maar de geproduceerde stoffen hebben een reeks tests doorstaan ​​om hun duurzaamheid te bewijzen. Trekken, draaien, buigen en vooral wassen, verminderde de tastzin van het garen niet, rapporteerde het team - zelfs na tientallen ritten door de spin-cyclus.

Vooruit duwen

Maar de onderzoekers suggereren dat het ultieme voordeel van het gebruik van met MXene gecoate geleidende garens om dit speciale textiel te produceren, is dat alle functionaliteit naadloos in het textiel kan worden geïntegreerd. Dus in plaats van een externe batterij toe te voegen om het draagbare apparaat van stroom te voorzien, of verbind hem draadloos met je smartphone, deze energieopslagapparaten en antennes zouden ook van stof zijn gemaakt - een integratie die, hoewel letterlijk genaaid, is een veel vlottere manier om de technologie te integreren.

"Elektrisch geleidende garens zijn essentieel voor draagbare toepassingen omdat ze kunnen worden ontworpen om specifieke functies uit te voeren in een breed scala aan technologieën, " zij schrijven.

Het gebruik van geleidende garens betekent ook dat er een grotere verscheidenheid aan technologische aanpassingen en innovaties mogelijk is via het breiproces. Bijvoorbeeld, "de prestaties van de gebreide druksensor kunnen in de toekomst verder worden verbeterd door het garentype te veranderen, steek patroon, actieve materiaalbelasting en de diëlektrische laag om te resulteren in hogere capaciteitsveranderingen, " volgens de auteurs.

Het team van Dion van het Centre for Functional Fabrics test deze ontwikkeling al in een aantal projecten, waaronder een samenwerking met textielfabrikant Apex Mills, een van de toonaangevende producenten van materiaal voor autostoelen en interieurs. En Gogotsi suggereert dat de volgende stap voor dit werk het afstemmen van het coatingproces zal zijn om precies de juiste hoeveelheid geleidend MXene-materiaal aan het garen toe te voegen voor specifieke toepassingen.

"Met dit MXene-garen, er zijn zoveel toepassingen mogelijk, "Zei Gogotsi. "Je kunt erover nadenken om er autostoelen mee te maken, zodat de auto de grootte en het gewicht van de passagier kent om de veiligheidsinstellingen te optimaliseren; textieldruksensoren kunnen in sportkleding zitten om de prestaties te controleren, of geweven in tapijten om verbonden huizen te helpen onderscheiden hoeveel mensen er thuis zijn - je fantasie is de limiet."