Pracownia Odzieży Ochronnej - Projekty
Streszczenie

Opracowanie modelu materiału z naniesionymi ścieżkami elektroprzewodzącymi w celu implementacji w inteligentnej odzieży ochronnej

Kierownik projektu: dr Agnieszka Kurczewska

Streszczenie projektu:

 

Celem projektu było umożliwienie poprawy cech użytkowych odzieży inteligentnej przez zastąpienie stosowanych sztywnych połączeń elektrycznych (między czujnikami, urządzeniami pomiarowo-sterującymi oraz nadawczymi) opracowanym elastycznym materiałem tekstylnym  z naniesionymi ścieżkami o wysokiej przewodności elektrycznej, odpornym na cykle konserwacji.

W 1. etapie projektu przeprowadzono próby oceny czy naniesienia ścieżek elektroprzewodzących z wykorzystaniem dwóch rodzajów polimerów jako nośników (polimetakrylanu metylu (PMMA) oraz  fluoroelastomeru winylidenowwgo (PVDF)) ze zdyspergowanymi nanocząstkami węglowymi (płatkami grafenu, wielościennymi nanorurkami węglowymi, grafitem  oraz cząstkami srebra, w formie past o różnej zawartości cząstek węgla lub srebra) umożliwią konstrukcję ścieżek elektroprzewodzących odpornych na użytkowanie. Zastosowano trzy materiały tekstylne jako podłoże do naniesienia ścieżek elektroprzewodzących: włókninę o składzie (Kevlar/Nomex) zlaminowaną z membraną PTFE, tkaninę z przędzy z włókien modakrylowych, tkaninę z przędzy para-aramidowej. Pasty naniesiono na wytypowane podłoża metodą sitodruku tak, aby uzyskać naniesienia w formie ścieżek o trzech szerokościach: 4 mm, 2 mm i 1 mm.  Jako próbki, które charakteryzują się najlepszą odpornością na cykle zginania, prania i najlepszą adhezją, wytypowano próbki z naniesieniem z zawartością nanorurek węglowych 3% mas. PMMA na podłożu 3 (z włókien aramidowych, o masie powierzchniowej 260 g/m2), natomiast największą obciążalnością elektryczną charakteryzowały się próbki z naniesieniem z zawartością płatków grafenu 7% mas. PMMA oraz 10% mas. PMMA na podłożu 3. W celu demonstracji działania ścieżek wykonano testowy układ elektroniczny zawierający diody LED. Opracowane ścieżki elektroprzewodzące pełniły rolę rezystorów ograniczających prąd płynący przez diody LED, jednocześnie doprowadzając odpowiednie potencjały do ich prawidłowej polaryzacji.

W 2. etapie projektu przeprowadzono próby wytworzenia ścieżek elektroprzewodzących dwiema metodami: metodą wulkanizacji polimerów elektroprzewodzących z zawartością napełniaczy elektroprzewodzących oraz metodą manualnego naniesienia tuszu elektroprzewodzącego. Wytypowano 6 rodzajów polimerów (termoplasty, elastomery, w tym kauczuki i żywicę epoksydową) w celu wprowadzenia do nich napełniaczy (sadzy elektroprzewodzącej, cząstek aluminium oraz cząstek srebra) pod kątem nadania im właściwości przewodności elektrycznej. Następnie opracowano polimery elektroprzewodzące z zawartością napełniaczy o różnych częściach wagowych, z których wytworzono błony polimerowe (wulkanizaty) i zwulkanizowano je z 4 wytypowanymi podłożami tekstylnymi (2 tkaniny z przędzy modakrylowej, 1 z przędzy aramidowej oraz membranę poliestrową). Otrzymane próbki poddano badaniom laboratoryjnym w zakresie rezystancji powierzchniowej, odporności mechanicznej i adhezji błony polimerowej do podłoża tekstylnego. Równolegle wykonano naniesienia wytypowanego tuszu z zawartością cząstek srebra na  2 podłoża tekstylne: tkaninę aramidową laminowaną z membraną poliestrową i membranę poliestrową laminowaną z tkaniną aramidową. Naniesienia wykonano w formie ścieżek elektroprzewodzących o szerokości 3 mm i 6 mm. W celu nadania naniesieniom atramentowym odporności mechanicznej, ścieżki zlaminowano z przezroczystą folią poliuretanową. Najmniejsze wartości rezystancji powierzchniowej dla wulkanizatów uzyskano dla kopolimeru etylenowo-oktenowego (EOR) z zawartością 15 cz.w. sadzy elektroprzewodzącej (550 Ω/cm) oraz dla 50 cz.w. srebra  (1.6 Ω/cm). Spośród badanych naniesień tuszu elektroprzewodzącego najmniejsze wartości rezystancji uzyskano dla próbek ścieżek o szerokości 3 mm i 6 mm na tkaninie aramidowej (0,005 – 0,06 Ω/cm). Wszystkie próbki wykazały się bardzo dobrą obciążalnością elektryczną w mierzonym zakresie prądowo-napięciowym. Najlepsze parametry transmisji sygnału uzyskano dla próbki 3D o szerokości 3 mm na membranie poliestrowej (3dB dla częstotliwości powyżej 2,3 GHz), co wskazuje na możliwość ich stosowania w układach zawierających mikroprocesor oraz czujniki. W ramach prac tego etapu projektu opracowano warunki i procedury nanoszenia ścieżek elektroprzewodzących na wytypowany materiał tekstylny.

W ramach 3. etapu projektu zweryfikowano wcześniejsze próby w zakresie nanoszenia struktur nanocząstek metali lub węgla na materiały tekstylne. W tym celu przeprowadzono prace dotyczące nanoszenia ścieżek elektroprzewodzacych na podłoża 3 metodami: nadruku past elektroprzewodzących metodą sitodruku, nadruku atramentu elektroprzewodzącego metodą InkJetPrinting i wulkanizacji polimerów elektroprzewodzących z zawartością napełniaczy elektroprzewodzących z materiałami tekstylnymi. Jako nową metodę zastosowano nadruk tuszu elektroprzewodzącego InkJetPrinting, natomiast w pozostałych metodach zmodyfikowano składy mieszanin. Zastosowano 4 podłoża tekstylne: tkaninę bawełnianą powleczoną poliuretanem, tkaninę aramidową, membranę poliestrową zlaminowaną z tkaniną aramidową i tkaninę bawełniano-poliestrową.  W ramach weryfikacji metody nanoszenia past za pomocą sitodruku, zastosowano trzy pasty polimerowe, w tym pastę srebrową na bazie polimeru PMMA‑PBMA (polimetakrylan etylu oraz butylu) dostępną komercyjnie oraz 2 pasty opracowane w 3. etapie projektu: pastę srebrową z dodatkiem 0,1% mas. nanorurek węglowych i pastę srebrową z dodatkiem 5% mas. płatków grafenu. Pasty naniesiono na podłoża tekstylne. W celu nadania naniesieniom odporności mechanicznej, ścieżki pokryto poliuretanem.

Przeprowadzono  badania laboratoryjne uzyskanych kompozytów w zakresie ich parametrów elektrycznych i użytkowych. W  celu sprawdzenia czy na wytypowanych materiałach tekstylnych można uzyskać ścieżki elektroprzewodzące metodą InkJet Printing, wykonano próby nanoszenia na tkaninę aramidową oraz na membranę poliestrową zlaminowaną z tkaniną aramidową tuszu elektroprzewodzącego zawierającego srebro. W celu poprawy właściwości elektrycznych opracowanych gumowych błon polimerowych wytypowano termoplastyczny kopolimer etylenowo- oktenowy, do którego wprowadzono napełniacze elektroprzewodzące w postaci cząstek srebra (o stężeniu 25 cz.wag. i 50 cz.wag.) oraz sadzy elektroprzewodzącej (o stężeniu od 15 cz.wag. do  30 cz.wag.). Wykonano 20 wariantów mieszanek z dodatkiem sadzy oraz 8 wariantów mieszanek z dodatkiem srebra. W ramach każdej z grup mieszanek zastosowano różne ich składy, tj. różną zawartość napełniacza oraz dodatki w postaci 3 cieczy jonowych. Alternatywnie zastosowano metodę wytłaczania polimeru. Po zwulkanizowaniu błon polimerowych z wytypowanymi materiałami tekstylnymi poddano je badaniom laboratoryjnym w zakresie parametrów elektrycznych i użytkowych.

Dla wybranych podłoży tekstylnych i past elektroprzewodzących, wykonano model ścieżek elektroprzewodzących, który połączono z czujnikiem temperatury, sterownikiem, wyświetlaczem oraz zasilaniem (demonstrator) i poddano badaniom laboratoryjnym w zakresie pasma przenoszenia sygnału oraz w celu sprawdzenia poprawności działania ścieżek elektroprzewodzących. Sprawdzano odczyty temperatury z zastosowanego czujnika, które porównywano z odczytami  z drugiego czujnika połączonego tradycyjnymi przewodami elektrycznymi. Stwierdzono, że wyniki pomiarów temperatury uzyskane za pomocą demonstratora z zastosowaniem czujników połączonych za pomocą ścieżek elektroprzewodzących oraz przewodów pokrywają się. Świadczy to o poprawności działania opracowanych ścieżek elektroprzewodzących.

 

Projekt III.P.11. Schemat modelu demonstratora do badań ścieżek elektroprzewodzących

 

W wyniku realizacji projektu opracowano model materiału z naniesioną ścieżką elektroprzewodzącą wraz z dokumentacją techniczno-technologiczną oraz przygotowano zgłoszenie patentowe. Wyniki projektu przedstawiono w 2 publikacjach naukowych, 1 publikacji popularnonaukowej oraz w 2 referatach podczas międzynarodowych konferencji naukowych.



Jednostka: Pracownia Odzieży Ochronnej

Okres realizacji: 01.01.2014 – 31.12.2016