Att producera funktionella tyger som utför alla funktioner vi vill ha, samtidigt som det är ingen lätt uppgift att behålla egenskaperna hos tyget vi är vana vid.

Två grupper av forskare vid Drexel University – en, som leder utvecklingen av industriella funktionella tygproduktionstekniker, och den andra, en pionjär inom studiet och tillämpningen av en av de starkaste, de flesta elektriskt ledande supermaterial som används idag – tror att de har en lösning.

De har förbättrat en grundläggande del av textilier:garn. Genom att lägga till tekniska möjligheter till fibrerna som ger textilier deras karaktär, passform och känsla, teamet har visat att det kan sticka ny funktionalitet i tyger utan att begränsa deras bärbarhet.

I en artikel som nyligen publicerats i tidskriften Avancerade funktionella material , forskarna, ledd av Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University och Bach professor vid Drexel's College of Engineering, och Genevieve Dion, en docent vid Westphal College of Media Arts &Design och chef för Drexels Center for Functional Fabrics, visade att de kan skapa en mycket ledande, hållbart garn genom att belägga vanliga cellulosabaserade garner med en typ av ledande tvådimensionellt material som kallas MXene.

Slår hakar

"Nuvarande bärbara enheter använder konventionella batterier, som är skrymmande och obekväma, och kan införa designbegränsningar för den slutliga produkten, " skriver de. "Därför, utveckling av flexibla, elektrokemiskt och elektromekaniskt aktiva garn, som kan konstrueras och stickas till fulla tyger ger nya och praktiska insikter för skalbar produktion av textilbaserade enheter."

Teamet rapporterade att dess ledande garn packar mer ledande material i fibrerna och kan stickas av en vanlig industriell stickmaskin för att producera en textil med förstklassiga elektriska prestanda. Denna kombination av förmåga och hållbarhet skiljer sig från resten av det funktionella tygfältet idag.

De flesta försök att förvandla textilier till bärbar teknologi använder styva metallfibrer som förändrar tygets struktur och fysiska beteende. Andra försök att göra ledande textilier med hjälp av nanopartiklar av silver och grafen och andra kolmaterial väcker miljöproblem och kommer till korta prestandakrav. Och beläggningsmetoderna som framgångsrikt kan applicera tillräckligt med material på ett textilsubstrat för att göra det mycket ledande tenderar också att göra garnerna och tygerna för spröda för att motstå normalt slitage.

"Några av de största utmaningarna inom vårt område är att utveckla innovativa funktionella garn i skala som är robusta nog att integreras i textiltillverkningsprocessen och tål tvätt, "Dion sa." Vi tror att det är avgörande att demonstrera tillverkningsförmågan för något nytt ledande garn under experimentstadierna. Hög elektrisk ledningsförmåga och elektrokemisk prestanda är viktiga, men så är ledande garn som kan produceras genom en enkel och skalbar process med lämpliga mekaniska egenskaper för textilintegrering. Allt måste tas i beaktande för en framgångsrik utveckling av nästa generations enheter som kan bäras som vardagsplagg."

Den vinnande kombinationen

Dion har varit en pionjär inom området för bärbar teknologi, genom att utgå från hennes bakgrund inom mode och industriell design för att ta fram nya processer för att skapa tyger med nya tekniska möjligheter. Hennes arbete har erkänts av försvarsdepartementet, som inkluderade Drexel, och Dion, i sitt Advanced Functional Fabrics of America -försök att göra landet ledande inom området.

Hon samarbetade med Gogotsi, som är en ledande forskare inom området för tvådimensionella ledande material, att närma sig utmaningen att göra ett ledande garn som tål stickning, bära och tvätta.

Gogotsis grupp var en del av Drexel-teamet som upptäckte mycket ledande tvådimensionella material, kallas MXenes, 2011 och har undersökt deras exceptionella egenskaper och tillämpningar för dem sedan dess. Hans grupp har visat att den kan syntetisera MXener som blandas med vatten för att skapa bläck och spraybeläggningar utan några tillsatser eller ytaktiva ämnen - en uppenbarelse som gjorde dem till en naturlig kandidat för att göra ledande garn som skulle kunna användas i funktionella tyger.

"Forskare har utforskat att lägga till grafen och kolnanorörsbeläggningar till garn, vår grupp har också tittat på ett antal kolbeläggningar tidigare, ", sa Gogotsi. "Men att uppnå den nivå av konduktivitet som vi visar med MXenes har inte varit möjligt förrän nu. Det närmar sig ledningsförmågan hos silverbelagda nanotrådsgarn, men användningen av silver inom textilindustrin är starkt begränsad på grund av dess upplösning och skadliga miljöpåverkan. Dessutom, MXenes kan användas för att lägga till lagringskapacitet för elektrisk energi, avkänning, elektromagnetisk interferensskärmning och många andra användbara egenskaper för textilier."

I sin grundläggande form, titaniumkarbid MXene ser ut som ett svart pulver. Men den består faktiskt av flingor som bara är några få atomer tjocka, som kan tillverkas i olika storlekar. Större flingor betyder större yta och större ledningsförmåga, så teamet fann att det var möjligt att öka garnets prestanda genom att infiltrera de enskilda fibrerna med mindre flingor och sedan belägga själva garnet med ett lager av större flingor MXene.

Att testa det

Teamet skapade de ledande garnen från tre vanliga, cellulosabaserade garn:bomull, bambu och linne. De applicerade MXene-materialet via dip-coating, som är en standardfärgningsmetod, innan du testar dem genom att sticka hela tyger på en industriell stickmaskin – den typ som används för att göra de flesta tröjor och halsdukar du kommer att se i höst.

Varje typ av garn stickades till tre olika tygprover med hjälp av tre olika stygnmönster – enkel jersey, halvmått och förregling – för att säkerställa att de är tillräckligt hållbara för att hålla i alla textilier från en tätt stickad tröja till en lösstickad halsduk.

"Möjligheten att sticka MXene-belagda cellulosabaserade garn med olika stygnmönster gjorde att vi kunde kontrollera tygets egenskaper, såsom porositet och tjocklek för olika applikationer, " skriver forskarna.

För att sätta de nya trådarna på prov i en teknisk tillämpning, teamet stickade några beröringskänsliga textilier – den sorten som utforskas av Levi's och Yves Saint Laurent som en del av Googles Project Jacquard.

Inte bara höll de MXene-baserade ledande garnen upp mot slitaget från de industriella stickmaskinerna, men de producerade tygerna överlevde ett antal tester för att bevisa dess hållbarhet. Drag, vridning, böja och - viktigast av allt - tvätta, minskade inte garnets beröringsavkänningsförmåga, laget rapporterade – även efter dussintals resor genom spinncykeln.

Drivs framåt

Men forskarna föreslår att den ultimata fördelen med att använda MXene-belagda ledande garn för att producera dessa speciella textilier är att all funktionalitet kan integreras sömlöst i textilierna. Så istället för att behöva lägga till ett externt batteri för att driva den bärbara enheten, eller anslut den trådlöst till din smartphone, dessa energilagringsenheter och antenner skulle också vara gjorda av tyg - en integration som, fastän bokstavligen sömt, är ett mycket smidigare sätt att införliva tekniken.

"Elektriskt ledande garn är avgörande för bärbara applikationer eftersom de kan konstrueras för att utföra specifika funktioner i ett brett spektrum av teknologier, " de skriver.

Att använda ledande garn innebär också att ett större utbud av tekniska anpassningar och innovationer är möjliga via stickningsprocessen. Till exempel, "prestandan hos den stickade trycksensorn kan förbättras ytterligare i framtiden genom att byta garntyp, stygnmönster, aktiv materialbelastning och det dielektriska skiktet för att resultera i högre kapacitansförändringar, " enligt författarna.

Dions team på Center for Functional Fabrics testar redan denna utveckling i ett antal projekt, inklusive ett samarbete med textiltillverkaren Apex Mills - en av de ledande tillverkarna av material för bilbarnstolar och interiörer. Och Gogotsi föreslår att nästa steg för detta arbete kommer att stämma beläggningsprocessen för att lägga till precis rätt mängd konduktivt MXene -material i garnet för specifika användningsområden.

"Med detta MXene-garn, så många applikationer är möjliga, ", sa Gogotsi. "Du kan tänka på att göra bilsäten med den så att bilen vet storleken och vikten på passageraren för att optimera säkerhetsinställningarna; textiltrycksensorer kan finnas i sportkläder för att övervaka prestanda, eller vävda i mattor för att hjälpa anslutna hus att urskilja hur många som är hemma - din fantasi är gränsen. "