Graphen auf Kevlar macht Kleider «smart»
Kevlar ist ein bekanntes hochfestes Polymer, das dank seiner ausgezeichneten mechanischen Leistung eine Vielzahl von wichtigen Sicherheitsanwendungen gefunden hat, von Textilien wie kugelsichere Westen oder Feuerwehrschutzkleidung bis hin zu zähen Verbundwerkstoffen wie Panzerungen in Autos. Eine "Nanoveredelung" mit Graphen macht das Material "smart".
Die nächste Generation von Schutzkleidung soll multifunktional, d.h. "smart" werden. Diese Materialien werden nicht nur in der Lage sein, den menschlichen Körper vor Verletzungen zu schützen, sondern auch intelligente Funktionen wie die Überwachung physiologischer Signale und die Erkennung potenzieller Gefahren wie Gase, Krankheitserreger oder Strahlung besitzen.
Für die Herstellung "intelligenter" Kleidung ist es notwendig, Funktionsmaterialien mit Fasern oder Textilien zu kombinieren, in der Regel in Form einer Nanoveredelung, bei der eine Reihe von Nanomaterialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphen oder Silber-Nanodrähte auf Textilien aufgebracht werden können.
"Im Allgemeinen erfordern diese Methoden mehrstufige Wege und eine zeitaufwändige Verarbeitung der Vorläuferpräparation", erklärt Yingying Zhang, eine außerordentliche Professorin in der Abteilung Chemie & Zentrum für Nano- und Mikromechanik (CNMM) an der Tsinghua-Universität in Peking. "Daher ist es immer noch eine Herausforderung, intelligente Schutzkleidung durch einen geradlinigen Ansatz herzustellen, insbesondere solche mit willkürlichen Mustern oder maßgeschneiderten Funktionen."
Bereits 2014 stellten Forscher an der Rice University flexible, gemusterte Folien aus mehrschichtigem Graphen aus einem billigen Polymer her, indem sie es mit einem computergesteuerten Laser verbrannten - eine Technik, die sie laserinduziertes Graphen (LIG) nannten. Dieses hochergiebige und kostengünstige Graphensyntheseverfahren arbeitet an Luft bei Raumtemperatur und macht heiße Öfen und kontrollierte Umgebungen überflüssig und ermöglicht die Herstellung von Graphen, das sich für die Elektronik oder Energiespeicherung eignet.
"Diese Laserschreibmethode zur Herstellung von Graphen auf Polyimid, Holz oder Papier ist einfach, effizient und entwurfsflexibel", bemerkt Zhang. "Auf der Grundlage der Tatsache, dass es ähnliche Polymerstrukturen in Textilien gibt, stellten wir die Hypothese auf, dass die Laserschreibtechnik auf Polymertextilien angewendet werden kann, was die einfache Herstellung von Textilelektronik auf Graphenbasis ermöglicht.
In einer neuen Arbeit, die in ACS Nano ("Laser Writing of Janus Graphene/Kevlar Textile for Intelligent Protective Clothing") veröffentlicht wurde, berichten Zhang und sein Team über das direkte Schreiben von laserinduziertem Graphen auf ein Kevlar-Textil.
Dem Team zufolge kann die Umwandlung von Kevlar in Graphen auf den photothermischen Effekt zurückgeführt werden, der durch die CO2-Laserbestrahlung induziert wird. Konkret führte dies zu einer hohen lokalen Temperatur, die zur Ablation und Depolymerisation der Kevlar-Faser führte. Die verbleibenden Kohlenstoffatome werden rekombiniert und zu Graphen "rekristallisiert".
Das von ihnen so genannte Janus-Graphen/Kevlar-Textil - das auf der Vorderseite poröses Graphen und auf der Rückseite Kevlar-Fasern aufweist - kann an der Luft präpariert werden. Um zu verhindern, dass Graphen aus dem Textil abblättert, warfen die Forscher vorgehärtetes Ecoflex auf die Oberfläche des verarbeiteten Textils, um eine sehr dünne Schicht zu bilden, die das Graphen fixiert und einkapselt.
Das Direktschreiben von Graphen aus kommerziellen Textilien an der Luft ist einfach, effizient und designflexibel und ebnet einen neuen Weg für die Entwicklung kostengünstiger und maßgeschneiderter Textilelektronik. Beispielsweise bietet es einen vielseitigen und schnellen Weg für die Herstellung von Textilelektronik wie flexible Superkondensatoren und Sensoren für die In-situ-Überwachung der menschlichen physiologischen Bedingungen.
"Vor dieser Arbeit wussten wir nicht, dass Textilien unter Luftbedingungen in Graphen umgewandelt werden können", betont Zhang. "Unsere Forschungsgruppe konzentriert sich auf das Design und die Herstellung neuartiger flexibler und tragbarer Materialien und Elektronik. In den letzten Jahren haben wir uns sehr für die Entwicklung von Faser- und Textilelektronikmaterialien aus Nanokohlenstoffen und Seidenmaterialien interessiert. Es ist unser Ziel, flexible Elektronik zu entwickeln, die ergonomisch korrekt für den menschlichen Körper ist und eine ausgezeichnete Leistung aufweist - was uns dazu ermutigt hat, mit dem Laserschreibverfahren auf Kevlar zu experimentieren".
Auf der Grundlage dieser Technik wird es möglich, verschiedene Arten flexibler Elektronik auf verschiedenen kommerziellen Textilien wie Seide und Baumwolle herzustellen. Dies ermöglicht die effiziente und kundenspezifische Herstellung von multifunktionaler Textil-Elektronik.
Das Laser-Direktschreiben von Graphen aus kommerziellen Textilien unter Luftabschluss bietet auch einen vielseitigen und schnellen Weg für die Herstellung von textiler Elektronik wie flexiblen Superkondensatoren und Sensoren.
Mit der Popularisierung schnell aufkommender Technologien wie Biotechnologien, virtueller Realität und künstlicher Intelligenz steigt die Nachfrage nach tragbaren Geräten. Sie werden die Art und Weise verändern, wie wir kommunizieren, physiologische Funktionen und Umweltdaten überwachen und medizinische Behandlungen durchführen.
"Zukünftige tragbare Elektronik muss ergonomisch korrekt und biologisch sicher für den menschlichen Körper und sogar implantierbar sein", so Zhang abschließend. "Forscher, die auf diesem Gebiet tätig sind, müssen weiter erforschen, wie individuelle Elektronik wie Sensoren, Displays, Batterien, drahtlose Sender und so weiter zu einem vollständigen flexiblen System integriert und schließlich in Kleidung oder sogar in medizinische Implantate integriert werden kann. Dieses ehrgeizige Ziel erfordert, dass Forscher und Ingenieure mit unterschiedlichem Hintergrund zusammenarbeiten, um Probleme mit allen Aspekten der Materialvorbereitung, Energiegeräte, Elektronikdesign und -herstellung, Datenverarbeitung, Verpackungstechnik, Medizintechnik usw. zu lösen."
Quelle: Nanowerk - Direct laser-writing of graphene on Kevlar makes protective clothing "smart"
Originalartikel: ACS Nano - Laser Writing of Janus Graphene/Kevlar Textile for Intelligent Protective Clothing
Bildquelle: ACS Nano - Laser Writing of Janus Graphene/Kevlar Textile for Intelligent Protective Clothing