Großes Potenzial für elektronische Textilien aus Zellulosefäden

Apr 02, 2023

Elektronische Textilien bieten revolutionäre neue Möglichkeiten in verschiedenen Bereichen, insbesondere im Gesundheitswesen. Um jedoch nachhaltig zu sein, müssen sie aus erneuerbaren Materialien hergestellt werden. Ein Forschungsteam unter der Leitung der Chalmers University of Technology, Schweden, stellt nun einen Faden aus leitfähiger Zellulose vor, der faszinierende und praktische Möglichkeiten für elektronische Textilien bietet.

„Miniatur-tragbare elektronische Geräte sind in unserem täglichen Leben immer häufiger anzutreffen. Derzeit sind sie jedoch häufig auf seltene oder in einigen Fällen giftige Materialien angewiesen. Sie führen auch dazu, dass sich nach und nach große Berge von Elektroschrott ansammeln.“ „Es besteht ein echter Bedarf an organischen, erneuerbaren Materialien für den Einsatz in elektronischen Textilien“, sagt Sozan Darabi, Doktorand am Department of Chemistry and Chemical Engineering der Chalmers University of Technology und am Wallenberg Wood Science Center und Hauptautor der wissenschaftlichen Studie Artikel, der kürzlich in ASC Applied Materials & Interfaces veröffentlicht wurde.

Zusammen mit Anja Lund, Forscherin derselben Gruppe, arbeitet Sozan Darabi seit mehreren Jahren mit elektrisch leitfähigen Fasern für elektronische Textilien. Während der Schwerpunkt früher auf Seide lag, wurden die Entdeckungen nun durch die Verwendung von Zellulose weiterentwickelt.

Die Ergebnisse präsentieren die Forscher nunzeigen, wie Zellulosefäden als Material für elektronische Textilien großes Potenzial bieten und vielfältig eingesetzt werden können.

Den Forschern ist es nun gelungen, die elektrisch leitfähigen Zellulosefäden mit einer haushaltsüblichen Nähmaschine zu einem Stoff zu vernähen und so ein thermoelektrisches Textil herzustellen, das bei einseitiger Erwärmung – beispielsweise durch die Körperwärme eines Menschen – eine kleine Menge Strom erzeugt. Bei einem Temperaturunterschied von 37 Grad Celsius kann das Textil etwa 0,2 Mikrowatt Strom erzeugen.

„Dieser Zellulosefaden könnte zu Kleidungsstücken mit integrierten elektronischen, intelligenten Funktionen führen, die aus ungiftigen, erneuerbaren und natürlichen Materialien hergestellt werden“, sagt Darabi.

Der Herstellungsprozess für den Zellulosefaden wurde von Co-Autoren der Aalto-Universität in Finnland entwickelt. In einem anschließenden Prozess machten die Chalmers-Forscher den Faden leitfähig, indem sie ihn mit einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial färbten. Die Messungen der Forscher zeigen, dass der Zellulosefaden durch den Färbeprozess eine rekordverdächtige Leitfähigkeit erhält – die durch die Zugabe von Silber-Nanodrähten noch weiter gesteigert werden kann. In Tests blieb die Leitfähigkeit auch nach mehreren Wäschen erhalten.

Elektronische Textilien könnten unser Leben in mehrfacher Hinsicht verbessern. Ein wichtiger Bereich ist das Gesundheitswesen, wo Funktionen wie die Regulierung, Überwachung und Messung verschiedener Gesundheitsmetriken von großem Nutzen sein könnten.

In der gesamten Textilindustrie, in der die Umstellung auf nachhaltige Rohstoffe ein zentrales Thema darstellt, werden natürliche Materialien und Fasern immer häufiger als Ersatz für synthetische Stoffe eingesetzt. Auch hier könnten elektrisch leitfähige Zellulosefäden eine wichtige Rolle spielen, sagen die Forscher.

„Zellulose ist ein fantastisches Material, das nachhaltig gewonnen und recycelt werden kann, und wir werden sehen, dass es in Zukunft immer häufiger verwendet wird. Und wenn Produkte aus einheitlichem Material oder aus möglichst wenigen Materialien bestehen, wird der Recyclingprozess viel einfacher und.“ effektiver. Auch aus dieser Perspektive ist Zellulosefaden für die Entwicklung von E-Textilien sehr vielversprechend“, sagt Christian Müller, Forschungsleiter der Studie und Professor am Department of Chemistry and Chemical Engineering der Chalmers University of Technology.

Diese Arbeit des Forschungsteams aus Chalmers wird im Rahmen des nationalen Forschungszentrums Wallenberg Wood Science Center in Zusammenarbeit mit Kollegen in Schweden, Finnland und Südkorea durchgeführt.

Sowohl Sozan Darabi als auch Christian Müller sind davon überzeugt, dass die Forschung weit mehr als nur die neueste wissenschaftliche Veröffentlichung hervorgebracht hat. Sozan Darabi hat sich vom Studenten zum führenden Experten für elektrisch leitfähige Fasermaterialien entwickelt, was Müller als sehr bereichernd und als große Stärke für sein Forschungsteam ansieht.

Über das nationale schwedische Forschungszentrum Wallenberg Wood Science Center war auch eine Gruppe der Stockholmer Königlichen Technischen Hochschule (KTH) an der Forschung und Veröffentlichung der Studie beteiligt. Die KTH-Forscher konzentrieren sich auf die elektrochemischen Aspekte der Fasern. Gemeinsam mit dieser Gruppe von KTH plant das Chalmers-Forschungsteam nun Möglichkeiten, die Ideen auf die nächste Ebene zu heben.

Das elektrisch leitfähige Garn wird in einem „Schicht-auf-Schicht“-Beschichtungsverfahren mit einer Tinte auf Basis des biokompatiblen Polymers „Polyelektrolytkomplex Poly(3,4-ethylendioxythiophen):poly(styrolsulfonat) (PEDOT: PSS)“ hergestellt. Der von den Forschern entwickelte E-Textilfaden misst eine rekordhohe Leitfähigkeit für Zellulosefäden bezogen auf das Volumen von 36 S/cm-, die durch Zugabe von Silber-Nanodrähten auf 181 S/cm gesteigert werden kann. Der mit PEDOT:PSS beschichtete Faden übersteht mindestens fünf Maschinenwäschen, ohne seine Leitfähigkeit zu verlieren. Durch die Integration des Zellulosegarns in einen elektrochemischen Transistor konnten die Forscher auch dessen elektrochemische Funktion nachweisen.

Im Laufe der Menschheitsgeschichte wurden Textilien aus Naturfasern und Zellulose hergestellt. Doch seit der Mitte des 20. Jahrhunderts sind synthetische Fasern in unserer Kleidung, insbesondere in der Modebranche, immer häufiger anzutreffen. Da der Fokus und das Bewusstsein jetzt stärker auf nachhaltige Alternativen gerichtet sind, kehrt das Interesse an Naturfasern und Textilien zurück und wächst. Große schwedische Ketten wie H&M und Lindex haben sich hohe Ziele gesetzt, um den Anteil der aus nachhaltigeren Materialien hergestellten Kleidungsstücke zu erhöhen.

Die von den Forschern verwendete Zellulosefaser ist vom Typ Ioncell® und wurde von der finnischen Gruppe unter der Leitung von Professor und Co-Autor Herbert Sixta entwickelt.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Chalmers University of Technology veröffentlicht. Es wurde aus Stilgründen bearbeitet