Det nye garn?!—Bærbart, vaskbare tekstilenheder er mulige med MXene-coated garn

At producere funktionelle stoffer, der udfører alle de funktioner, vi ønsker, samtidig med at det ikke er nogen let opgave at bevare de egenskaber af stof, vi er vant til.

To grupper af forskere ved Drexel University – en, hvem leder udviklingen af ​​industrielle funktionelle stofproduktionsteknikker, og den anden, en pioner inden for undersøgelse og anvendelse af en af ​​de stærkeste, de fleste elektrisk ledende supermaterialer, der er i brug i dag - tror, ​​de har en løsning.

De har forbedret et grundlæggende element i tekstiler:garn. Ved at tilføje tekniske muligheder til fibrene, der giver tekstiler deres karakter, pasform og føling, holdet har vist, at det kan strikke ny funktionalitet ind i stoffer uden at begrænse deres slidstyrke.

I et papir for nylig offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer , forskerne, ledet af Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University og Bach professor i Drexel's College of Engineering, og Genevieve Dion, en lektor i Westphal College of Media Arts &Design og direktør for Drexels Center for Functional Fabrics, viste, at de kan skabe en meget ledende, holdbart garn ved at belægge standard cellulosebaserede garner med en type ledende todimensionelt materiale kaldet MXene.

Slår hakker

"Nuværende wearables bruger konventionelle batterier, som er omfangsrige og ubehagelige, og kan pålægge det endelige produkt designbegrænsninger, " skriver de. "Derfor, udvikling af fleksible, elektrokemisk og elektromekanisk aktive garn, som kan konstrueres og strikkes til fulde stoffer, giver ny og praktisk indsigt til skalerbar produktion af tekstilbaserede enheder."

Holdet rapporterede, at dets ledende garn pakker mere ledende materiale ind i fibrene og kan strikkes af en standard industriel strikkemaskine for at producere et tekstil med førsteklasses elektriske ydeevne. Denne kombination af evner og holdbarhed adskiller sig fra resten af ​​det funktionelle stoffelt i dag.

De fleste forsøg på at omdanne tekstiler til bærbar teknologi bruger stive metalliske fibre, der ændrer stoffets tekstur og fysiske opførsel. Andre forsøg på at fremstille ledende tekstiler ved hjælp af sølvnanopartikler og grafen og andre kulstofmaterialer vækker miljøproblemer og kommer til kort med krav til ydeevne. Og de belægningsmetoder, der med succes er i stand til at påføre nok materiale på et tekstilsubstrat til at gøre det meget ledende, har også en tendens til at gøre garnene og stofferne for skøre til at modstå normalt slid.

"Nogle af de største udfordringer inden for vores felt er at udvikle innovative funktionelle garner i skala, der er robuste nok til at blive integreret i tekstilfremstillingsprocessen og tåle vask, "Dion sagde. "Vi mener, at demonstration af fremstillingsevnen af ​​ethvert nyt ledende garn under eksperimentelle faser er afgørende. Høj elektrisk ledningsevne og elektrokemisk ydeevne er vigtige, men det samme er ledende garner, der kan fremstilles ved en enkel og skalerbar proces med passende mekaniske egenskaber til tekstil integration. Alt skal tages i betragtning for den succesfulde udvikling af næste generations enheder, der kan bæres som hverdagstøj."

Den vindende kombination

Dion har været en pioner inden for wearable-teknologi, ved at trække på hendes baggrund om mode og industrielt design for at producere nye processer til at skabe stoffer med nye teknologiske muligheder. Hendes arbejde er blevet anerkendt af forsvarsministeriet, som omfattede Drexel, og Dion, i sin Advanced Functional Fabrics of America indsats for at gøre landet førende på området.

Hun slog sig sammen med Gogotsi, der er en førende forsker inden for todimensionelle ledende materialer, at nærme sig udfordringen med at lave et ledende garn, der holder til strikning, bære og vaske.

Gogotsis gruppe var en del af Drexel-teamet, der opdagede stærkt ledende todimensionelle materialer, kaldet MXenes, i 2011 og har udforsket deres enestående egenskaber og anvendelser for dem lige siden. Hans gruppe har vist, at den kan syntetisere MXener, der blandes med vand for at skabe blæk og spraybelægninger uden nogen tilsætningsstoffer eller overfladeaktive stoffer - en åbenbaring, der gjorde dem til en naturlig kandidat til at lave ledende garn, der kunne bruges i funktionelle stoffer.

"Forskere har undersøgt at tilføje grafen og kulstof nanorørbelægninger til garn, vores gruppe har også set på en række kulstofbelægninger tidligere, " sagde Gogotsi. "Men det har ikke været muligt at opnå det niveau af ledningsevne, som vi demonstrerer med MXenes. Det nærmer sig ledningsevnen af ​​sølv nanotrådbelagt garn, men brugen af ​​sølv i tekstilindustrien er stærkt begrænset på grund af dets opløsning og skadelige virkning på miljøet. I øvrigt, MXenes kunne bruges til at tilføje elektrisk energilagringskapacitet, sansning, elektromagnetisk interferensafskærmning og mange andre nyttige egenskaber for tekstiler."

I sin grundform, titaniumcarbid MXene ligner et sort pulver. Men det er faktisk sammensat af flager, der kun er nogle få atomer tykke, som kan produceres i forskellige størrelser. Større flager betyder mere overfladeareal og større ledningsevne, så holdet fandt ud af, at det var muligt at øge garnets ydeevne ved at infiltrere de individuelle fibre med mindre flager og derefter belægge selve garnet med et lag MXene med større flager.

Sætter det på prøve

Holdet skabte de ledende garner fra tre almindelige, cellulosebaseret garn:bomuld, bambus og linned. De påførte MXene-materialet via dip-coating, som er en standardfarvemetode, før du tester dem ved at strikke fulde stoffer på en industriel strikkemaskine - den slags, der bruges til at lave de fleste af de sweatere og tørklæder, du vil se dette efterår.

Hver type garn blev strikket til tre forskellige stofprøver ved hjælp af tre forskellige stingmønstre - enkelt jersey, halv gauge og interlock - for at sikre, at de er holdbare nok til at holde i ethvert tekstil fra en tætstrikket sweater til et løst strikket tørklæde.

"Evnen til at strikke MXene-belagt cellulosebaseret garn med forskellige stingmønstre gjorde det muligt for os at kontrollere stoffets egenskaber, såsom porøsitet og tykkelse til forskellige applikationer, " skriver forskerne.

For at sætte de nye tråde på prøve i en teknologisk applikation, holdet strikkede nogle berøringsfølsomme tekstiler – den slags, der bliver udforsket af Levi's og Yves Saint Laurent som en del af Googles Project Jacquard.

Ikke nok med at de MXene-baserede ledende garner holdt stand mod slitagen fra de industrielle strikkemaskiner, men de producerede stoffer overlevede en række tests for at bevise deres holdbarhed. Trækning, vridning, bøjning og - vigtigst af alt - vask, formindskede ikke garnets berøringsfølende evner, holdet rapporterede - selv efter snesevis af ture gennem spin-cyklussen.

Skub fremad

Men forskerne foreslår, at den ultimative fordel ved at bruge MXene-coatede ledende garner til at fremstille disse specielle tekstiler er, at al funktionaliteten kan integreres problemfrit i tekstilerne. Så i stedet for at skulle tilføje et eksternt batteri for at forsyne den bærbare enhed, eller tilslut den trådløst til din smartphone, disse energilagringsenheder og antenner ville også være lavet af stof - en integration, der selvom bogstaveligt talt søm, er en meget smidigere måde at inkorporere teknologien på.

"Elektrisk ledende garn er afgørende for bærbare applikationer, fordi de kan konstrueres til at udføre specifikke funktioner i en bred vifte af teknologier, " de skriver.

Brug af ledende garn betyder også, at en bredere vifte af teknologisk tilpasning og innovationer er mulige via strikkeprocessen. For eksempel, "ydelsen af ​​den strikkede tryksensor kan forbedres yderligere i fremtiden ved at ændre garntypen, stingmønster, aktiv materialebelastning og det dielektriske lag for at resultere i højere kapacitansændringer, " ifølge forfatterne.

Dions team i Center for Funktionelle Stoffer sætter allerede denne udvikling på prøve i en række projekter, bl.a. herunder et samarbejde med tekstilproducenten Apex Mills — en af ​​de førende producenter af materialer til autostole og interiør. Og Gogotsi foreslår, at det næste trin i dette arbejde vil være at justere belægningsprocessen for at tilføje den helt rigtige mængde ledende MXene-materiale til garnet til specifikke formål.

"Med dette MXene-garn, så mange applikationer er mulige, " sagde Gogotsi. "Du kan tænke på at lave autostole med det, så bilen kender størrelsen og vægten af ​​passageren for at optimere sikkerhedsindstillingerne; tekstiltryksensorer kunne være i sportstøj for at overvåge ydeevne, eller vævet ind i tæpper for at hjælpe forbundne huse med at skelne, hvor mange mennesker der er hjemme - din fantasi sætter grænser."