Две группы исследователей из Университета Дрекселя – одна, которая возглавляет разработку промышленных функциональных технологий производства тканей, а другая, пионер в изучении и применении одного из самых прочных и наиболее электропроводящих суперматериалов, используемых сегодня, – верю, что у них есть решение.
Улучшили основной элемент текстиля: пряжу. Добавляя технические возможности к волокнам, которые придают тканям их характер, удобство и удобство, команда показала, что они могут объединять новые функциональные возможности с тканями, не ограничивая их пригодность для носки.
В статье, недавно опубликованной в журнале Advanced Functional Materials, исследователи во главе с Юрием Гогоци, доктором философии, заслуженным университетом и профессором Баха инженерного колледжа Дрекселя, и Женевьевой Дион, доцентом Вестфальского колледжа медиаискусства и дизайна и директором. из Центра функциональных тканей Drexel, показали, что они могут создавать высокопроводящую и прочную пряжу, покрывая стандартные пряжи на основе целлюлозы проводящим двухмерным материалом под названием MXene.
Наезд на коряги
«В современных носимых устройствах используются обычные батареи, которые громоздки и неудобны и могут накладывать конструктивные ограничения на конечный продукт», – пишут они. «Таким образом, разработка гибкой, электрохимически и электромеханически активной пряжи, которая может быть спроектирована и связана в цельные ткани, дает новые практические идеи для масштабируемого производства устройств на текстильной основе."
Команда сообщила, что его проводящая пряжа набивает больше проводящего материала в волокна и может быть связана на стандартной промышленной вязальной машине для производства ткани с первоклассными электрическими характеристиками.
Эта комбинация возможностей и долговечности сегодня выделяется на фоне остальной функциональной области тканей.
Большинство попыток превратить текстиль в носимую технику используют жесткие металлические волокна, которые изменяют текстуру и физическое поведение ткани.
Другие попытки сделать проводящий текстиль с использованием наночастиц серебра, графена и других углеродных материалов вызывают экологические проблемы и не соответствуют требованиям к рабочим характеристикам. И методы покрытия, которые позволяют успешно нанести на текстильную основу достаточно материала, чтобы сделать ее высокопроводящей, также имеют тенденцию делать пряжу и ткани слишком хрупкими, чтобы выдерживать нормальный износ.
«Одной из самых серьезных проблем в нашей области является разработка инновационной функциональной пряжи в таком масштабе, которая достаточно прочна, чтобы быть интегрированной в процесс текстильного производства и выдерживать стирку», – сказал Дион. «Мы считаем, что демонстрация технологичности любой новой токопроводящей пряжи на экспериментальных стадиях имеет решающее значение. Высокая электропроводность и электрохимические характеристики важны, но также важны проводящие нити, которые можно производить с помощью простого и масштабируемого процесса с подходящими механическими свойствами для текстильной интеграции.
Все это необходимо учитывать для успешной разработки устройств следующего поколения, которые можно будет носить как повседневную одежду."
Выигрышная комбинация
Дион была пионером в области носимых технологий, опираясь на свой опыт в моде и промышленном дизайне для создания новых процессов создания тканей с новыми технологическими возможностями.
Ее работа была отмечена Министерством обороны, в которое входили Дрексель и Дион, в его усилиях по продвижению передовых функциональных структур Америки, направленным на то, чтобы страна стала лидером в этой области.
Она объединилась с Гогоци, ведущим исследователем в области двумерных проводящих материалов, чтобы решить задачу создания проводящей пряжи, которая выдержала бы вязание, ношение и стирку.
Группа Гогоци была частью команды Дрекселя, которая в 2011 году открыла высокопроводящие двумерные материалы, названные MXenes, и с тех пор исследует их исключительные свойства и возможности их применения. Его группа показала, что он может синтезировать MXenes, которые смешиваются с водой, для создания красок и покрытий, наносимых распылением, без каких-либо добавок или поверхностно-активных веществ – открытие, которое сделало их естественным кандидатом для изготовления токопроводящей пряжи, которую можно было бы использовать в функциональных тканях.
«Исследователи изучали возможность добавления покрытий из графена и углеродных нанотрубок в пряжу, наша группа в прошлом также изучила ряд углеродных покрытий», – сказал Гогоци. "Но достичь уровня проводимости, который мы демонстрируем с MXenes, было невозможно до сих пор. Он приближается к проводимости пряжи с покрытием из серебряных нанопроволок, но использование серебра в текстильной промышленности сильно ограничено из-за его растворения и вредного воздействия на окружающую среду. Кроме того, MXenes можно использовать для добавления способности к аккумулированию электроэнергии, чувствительности, экранирования электромагнитных помех и многих других полезных свойств текстильных изделий."
Карбид титана MXene в своей основной форме выглядит как черный порошок. Но на самом деле он состоит из хлопьев толщиной всего в несколько атомов, которые могут быть разных размеров. Более крупные хлопья означают большую площадь поверхности и большую проводимость, поэтому команда обнаружила, что можно повысить производительность пряжи, пропитывая отдельные волокна более мелкими хлопьями, а затем покрывая саму пряжу слоем более крупных хлопьев MXene.
Испытание
Команда создала проводящую пряжу из трех распространенных видов пряжи на основе целлюлозы: хлопка, бамбука и льна. Они нанесли материал MXene методом окунания, который является стандартным методом окрашивания, прежде чем протестировать его, связав сплошные ткани на промышленной вязальной машине – из тех, что используются для изготовления большинства свитеров и шарфов, которые вы увидите этой осенью.
Каждый тип пряжи был связан в три разных образца ткани с использованием трех разных стежков – одинарного трикотажа, половинной толщины и интерлок – чтобы гарантировать, что они достаточно прочные, чтобы выдержать любой текстиль, от плотно связанного свитера до свободного вязания. шарф.
«Возможность вязать пряжу на основе целлюлозы с покрытием MXene с различными рисунками стежков позволила нам контролировать свойства ткани, такие как пористость и толщину, для различных применений», – пишут исследователи.
Чтобы испытать новые нити в технологическом применении, команда связала несколько чувствительных к прикосновениям тканей, которые исследуют Леви и Ив Сен-Лоран в рамках проекта Гугл «Жаккард».
Мало того, что токопроводящая пряжа на основе MXene выдержала износ промышленных вязальных машин, но и произведенные ткани выдержали ряд испытаний, чтобы доказать свою долговечность. Команда сообщила, что натягивание, скручивание, сгибание и, что наиболее важно, стирка, не уменьшили сенсорную способность пряжи даже после десятков поездок в цикле отжима.
Продвигаясь вперед
Но исследователи предполагают, что конечным преимуществом использования токопроводящей пряжи с покрытием MXene для производства этих специальных текстильных изделий является то, что все функциональные возможности могут быть легко интегрированы в текстильные изделия. Таким образом, вместо того, чтобы добавлять внешнюю батарею для питания носимого устройства или подключать его по беспроводной сети к вашему смартфону, эти устройства хранения энергии и антенны также будут сделаны из ткани – интеграция, которая, хотя и буквально сшита, является гораздо более плавной. способ включить технологию.
«Электропроводящая пряжа является квинтэссенцией для носимых устройств, потому что их можно спроектировать для выполнения определенных функций в широком спектре технологий», – пишут они.
Использование токопроводящей пряжи также означает, что в процессе вязания возможны более разнообразные технологические изменения и инновации. Например, по словам авторов, «характеристики вязанного датчика давления могут быть дополнительно улучшены в будущем за счет изменения типа пряжи, рисунка стежка, загрузки активного материала и диэлектрического слоя, что приведет к более высоким изменениям емкости».
Команда Дион в Центре функциональных тканей уже тестирует эту разработку в ряде проектов, в том числе в сотрудничестве с производителем текстиля Apex Mills – одним из ведущих производителей материалов для автомобильных сидений и интерьеров.
И Гогоци предлагает, что следующим шагом в этой работе будет настройка процесса покрытия, чтобы добавить в пряжу необходимое количество проводящего материала MXene для конкретных целей.
«С этой пряжей MXene возможно множество применений», – сказал Гогоци. «Вы можете подумать о том, чтобы сделать автокресла с его помощью, чтобы автомобиль знал размер и вес пассажира, чтобы оптимизировать настройки безопасности; датчики давления ткани могут быть в спортивной одежде для контроля производительности или вплетены в ковры, чтобы помочь подключенным домам различать, сколько людей дома – ваше воображение – предел."