В недавно опубликованной в журнале статье «Advanced Functional Materials» исследователи показали, во главе с Юрием Гогоци, директором по наноматериалам в Университете Drexel, и Центром функциональных тканей Drexel, что у них есть Genevieve Dion, директор , который может сделать очень проводящую и прочную пряжу., Они сделали это, покрыв стандартную пряжу на основе целлюлозы типом проводящего двумерного материала под названием Mxene.
Что такое Mxene?
В материаловедении мксены представляют собой класс двумерных неорганических соединений. Эти материалы состоят из слоев карбидов, нитридов или карбонитридов переходных металлов, толщина которых составляет всего несколько атомов. Мксены, которые впервые были описаны в 2011 году, объединяют металлическую проводимость карбидов переходных металлов и гидрофильную природу благодаря их гидроксильным или кислородным концевым поверхностям.
«Нынешние носимые устройства используют обычные батареи, которые громоздки и неудобны и могут накладывать конструктивные ограничения на конечный продукт», - пишут исследователи. «Поэтому разработка гибких, электрохимически и электромеханически активных нитей, которые можно обрабатывать и связывать в полные ткани, предлагает новые и практические знания для масштабируемого производства текстильных устройств ».
Команда сообщила, что ее проводящая пряжа упаковывает больше проводящего материала в волокна и может быть связана с помощью стандартной промышленной вязальной машины для производства текстиля с превосходными электрическими характеристиками. Это сочетание производительности и долговечности сегодня выделяется на фоне остальных функциональных тканей.
Не так просто - превратить текстиль в носимые технологии
Большинство попыток превратить текстильные изделия в носимые технологии используют жесткие металлические волокна, которые изменяют текстуру и физическое поведение ткани. Другие попытки сделать проводящий текстиль из наночастиц серебра, графена и других углеродных материалов создают проблемы для окружающей среды и не соответствуют требованиям к рабочим характеристикам. Кроме того, процессы нанесения покрытия, позволяющие успешно наносить достаточное количество материала на текстильную подложку, чтобы сделать его высокопроводящим, также склонны к тому, что нити и ткани становятся хрупкими, чтобы выдерживать нормальные нагрузки.
Юрий Гогоци открыл еще в 2011 году высокопроводящие двумерные материалы, так называемые мксены, и с тех пор исследует их необычные свойства и области применения.
Инновационные функциональные нити должны выдерживать стирку
Гогоци работал с Женевьевой Дион над созданием проводящей пряжи, способной выдерживать вязание, ношение и стирку. «Одними из самых больших проблем в нашей области являются разработка инновационных функциональных нитей в масштабе, достаточно прочном, чтобы интегрироваться в процесс производства текстиля и выдерживать стирку», - сказал Дион.
Она продолжает: «Мы считаем, что доказательство технологичности новой проводящей нити имеет решающее значение на этапе испытаний. Важна высокая электропроводность и электрохимические характеристики, но также важны проводящие нити, которые могут быть получены простым и масштабируемым способом с подходящими механическими свойствами для текстильной интеграции ». Для успешной разработки устройств следующего поколения, которые можно носить как повседневную одежду все будет учтено.
Проводящая пряжа из целлюлозы
Команда разработала проводящие нити из трех основных нитей на основе целлюлозы: хлопка, бамбука и льна. Они нанесли материал Mxene с использованием окунания, стандартного метода окрашивания, перед тем, как испытать его на промышленной вязальной машине путем вязания твердых тканей.
Каждый вид пряжи был связан тремя различными рисунками ткани с тремя различными рисунками строчки - одинарное трикотажное полотно, половина рисунка и взаимная блокировка - чтобы гарантировать, что он достаточно прочен, чтобы его можно было хранить в любом текстиле, от плотного вязаного свитера до свободно вязаного шарфа.
«Возможность вязать нити с покрытием MXen на основе целлюлозы с различными рисунками строчки позволила нам контролировать свойства ткани, такие как пористость и толщина, для различных применений», - пишут исследователи.
Чтобы протестировать новую пряжу в технологическом приложении, команда связала некоторые чувствительные к прикосновениям ткани - которые исследуют Levi's и Yves Saint Laurent в рамках проекта Google Jacquard.
Проводящая пряжа на основе MXen не только выдержала износ промышленных вязальных машин, но и произведенные ткани также прошли серию испытаний, чтобы доказать их долговечность. Команда сообщила, что вытягивание, скручивание, изгиб и, прежде всего, стирка не уменьшали способность пряжи к прикосновению - даже после десятков поездок в цикле прядения.
Аккумуляторы и антенны для носимых также из ткани
Все функции могут быть легко интегрированы в текстильные материалы с проводящими нитями с покрытием Mxen. Поэтому вместо того, чтобы добавлять внешнюю батарею для питания портативного устройства или беспроводного подключения к смартфону, эти накопители энергии и антенны также будут выполнены из ткани - интеграция, которая буквально пришита, но намного проще представляет собой интеграцию технологии.
Подсказка для семинара
Систематический семинар по подбору материала учит взаимосвязи между производством материала, структурой материала и полученными свойствами материала. Цель состоит в том, чтобы представить целостное представление о процессе выбора материала, начиная с создания профиля потребности, предварительного отбора до точного выбора и оценки риска.
Использование проводящих нитей также означает, что благодаря процессу вязания возможно большее разнообразие технологических адаптаций и инноваций. Например, « производительность вязаного датчика давления может быть улучшена в будущем путем изменения типа пряжи, рисунка строчки, загрузки активного материала и диэлектрического слоя таким образом, чтобы происходили более высокие изменения емкости», говорят авторы.
Следующий шаг: оптимизировать процесс нанесения покрытия
Команда Dion в Центре функциональных тканей уже тестирует эту разработку в ряде проектов, включая сотрудничество с производителем текстиля Apex Mills, производителем материалов для автомобильных сидений и интерьеров. И, по словам Гогоци, следующим шагом для этой работы является оптимизация процесса нанесения покрытия, так что для определенных применений в пряжу добавляется только необходимое количество проводящего материала Mxen.
«С этой пряжей Mxene возможно много применений», - сказал Гогоци. «Вы можете использовать его, чтобы сделать автокресла, чтобы автомобиль знал размеры и вес пассажира, чтобы оптимизировать настройки безопасности; Датчики текстильного давления могут использоваться в спортивной одежде для контроля производительности или вплетаться в ковры, чтобы помочь подключенным домам увидеть, сколько людей находится дома ».