Transcript Nanotechnológie v textile a výskum inteligentných odevov

RESEARCH FORUM 2014
ŠTRUKTURÁLNA POMOC EÚ PRE VÝSKUM A INOVÁCIE –
EFEKTY, PRÍLEŽITOSTI A RIZIKÁ
VYSOKÉ TATRY, 9.-11.apríl 2014
NANOTECHNOLÓGIE V TEXTILE A
VÝSKUM INTELIGENTNÝCH ODEVOV
Ing. Jozef Šesták, CSc., Ing. Ľudmila Balogová
VÚTCH-CHEMITEX, spol. s r.o., Žilina
Názov projektu:
Výskum technológií a výrobkov pre Inteligentné
a TECHnické TEXtílie (VY-INTECH-TEX)
Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku /
Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ
Termín riešenia:
01/2011 – 12/2014
Koordinátor projektu:
VÚTCH-CHEMITEX, spol. s r. o., Žilina
Spoluriešiteľ:
Elektrotechnická fakulta, Žilinská univerzita v Žiline
Katedra telekomunikácií a mutimédií
Katedra teoretickej elektrotechniky
a biomedicínskeho inžinierstva,
2
Charakteristika predmetu projektu:
Aktivita 1.1:
Výskum prípravy a aplikácie špeciálnych nanosólov
využitím nízkoteplotnej plazmy pre úpravu textílií.
Aktivita 1.2:
Výskum aplikácie nízkoteplotnej plazmy pre zvýšenie
úžitkových vlastností technických textílií.
Aktivita 1.3:
Výskum v oblasti textilnej humánnej ekológie a životného
cyklu výrobkov.
Aktivita 2.1:
Výskum prípravy inteligentných textílií.
3
Aktivita 1.1 „Výskum prípravy a aplikácie špeciálnych nanosólov
využitím nízkoteplotnej plazmy pre úpravu textílií.“
Ciele:
-
výskumné overenie prípravy elektrovodivých, hydrofilných a antimikrobiálnych
nanosólov s využitím organosilánov a aditivovaných nanočastíc,
-
výskumné overenie vplyvu nízkoteplotnej plazmy na predúpravu povrchu
textílií pred jeho nanoštrukturalizáciou nanosólmi,
-
aplikácia výskumne pripravených nanosólov za účelom zmeny povrchových
vlastností textílií: elektrických vlastností, hydrofilných vlastností a zvýšenia
odolnosti voči baktériám,
4
Sól-gél technika
Príprava nanosólového
zošľachťovacieho
roztoku
Alkoxidová metóda
Hydrolýza / kohydrolýza alkoxidov a
alkoxysilánov
Sól / alkosól
Aditivovanie nanoaditívom
Funkčný sól
Nános sólu na textíliu
Impregnácia / záter
Tvorba funkčnej vrstvy
na povrchu textílie
Horúci vzduch / UV / katalyticky
Xerogél
(polykondenzácia – zosietenie)
Funkčná nanoštruktúra na povrchu textílie vytvorená anorganicko–
organickým komplexom
5
Povrchový odpor v hodnotách
X.10*y (Ω)
Porovnanie vplyvu CNT nanotrubíc (obr. hore) a elektrovodivého aditíva(mikročastice) ,
(obr.dole) na zmenu povrchového elektrického odporu textílií.
12
10
8
100 % PES
6
PES/ba
4
100 % ba
2
0
15
30
45
60
Čas sonikácie (pôsobenie ultrazvuku) pri aplikácii nanosolu (min.)
Povrchový odpor v
hodnotách 10*y (Ω)
12
10
8
6
100% ba
4
PES/ba
100% PES
2
0
5
15
30
45
Čas sonikácie (pôsobenie ultrazvuku) pri aplikácii nanosolu (min.)
60
6
Makroštruktúra povrchu 100 % bavlnenej
textílie upravenej elektrovodivým nanosólom
s podielom elektrovodivých sadzí
Makroštruktúra povrchu PES/bavlna
textílie po aplikácii elektrovodivého
nanosólu s podielom elektrovodivých
sadzí.
7
Porovnanie hodnoty vzlínavosti na PES textílii predupravenej plazmou, upravenej
HFIL nanosólom a po údržbe praním.
70
70
70
60
60
(mm)
vzlínavosti
Hodnota
výška
výškastĺpca
stĺpca[mm]
[mm]
60
výška stĺpca [mm]
50
40
30
20
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
10
0
0
0
10
30
50W/60s
20
10
10
20
60
20
300
20 30
30
30 60
60
300
60
300
600
300
600
doba nasiakania
[s]
Čas
nasiakania
kvapaliny
(s)
doba
nasiakania
[s]nasiakania
doba
[s]
600
900
900
600
900
1800
900
1800
1800
1800
300
600
900
58530PES Plazma 60
350W/60s
591 PES
591 PES po praní
585 1800
PES plazma po praní
plazmovaná
PES
textília,
upravená,nepraná
585
PES nasiakania
Plazma
350W/60s
591 PES 591
591
PES po 591
praní
585
PES
plazma
praní
doba
[s]
585 PES
Plazma
350W/60s
PES
PEStextília,
po
praní
585po
PES
plazma
po praní
PES
upravená
HFIL,
po praní
doba nasiakania [s]
8
HFIL, pred
591PES
PEStextília,
591upravená
PES po praní
585praním
PES plazma po praní
plazmovaná
PES
textília, upravená, po praní
591 PES
591 PES po praní
585
PES plazma
po praní
5 PES Plazma 350W/60s
SEM snímky PES vlákna neupraveného (vľavo) a
upraveného hydrofilným nanosólom (vpravo a dole).
9
Aktivita 2.1 „Výskum prípravy inteligentných textílií.“
Ciele:
-
výskumné overenie technológie prípravy zmesných priadzí, na báze
štandardných a špeciálnych elektrovodivých vlákien, za účelom ich využitia pri
príprave inteligentných textilných senzorov,
-
výskum technológie prípravy textilných senzorov na báze elektrovodivých
priadzí a ich implementácia do inteligentných odevov
-
príprava funkčných vzoriek inteligentných odevov so zabudovanými
mikroelektronickými prvkami, komunikačným rozhraním a terminálom s
používateľským rozhraním pre interpretáciou nameraných biodát,
-
návrh technológie prípravy inteligentného odevu a overenie jeho využitia v
systéme prenosu biomedicínskych dát.
10
Multidisciplinárny výskum
Textilné materiály
- špeciálne vlákna
- elektricky vodivé
priadze
- textilné senzory
Komunikačné
technológie
- mikrosystémy
- bezdrôtová mobilná
komunikácia
- spracovanie informácií
Telemedicína
- monitoring
fyziologických
funkcií a
zdravotného
stavu človeka
Progresívne inteligentné biomedicínske odevy,
„smart“ materiály , „inteligentné“ textílie
(elektronické textílie, e-textílie)
11
Mobilné monitorovanie fyziologických funkcií človeka pomocou inteligentných
odevov umožňuje:
-snímať (monitorovať)
-zaznamenávať
-spracovávať
-prenášať
namerané životné fyziologicko-funkčné signály.
Základné fyziologicko-funkčné signály:
-
aktivita svalstva (dýchanie),
aktivita srdca (elektrokardiogram - EKG),
aktivita nervového systému (elektroencefalogram - EEG),
telesná teplota,
a ďalšie impulzy.
12
Prototyp inteligentného odevu
Predný diel:
Zadný diel:
1.
LED zobrazovacia jednotka
stavu pacienta
2.
Napájacie a dátové vodiče
LED zobrazovacej jednotky
3.
Senzor dýchania (spirometer)
4.
Napájacie a dátové vodiče
senzora dýchania
5.
Spoločná elektr. uzemnenia
6.
Senzor snímania teploty
7.
Napájacie a dátové vodiče
senzora teploty
8.
8L/8R senzory kapacitného
snímania EKG
9.
Napájacie a dátové vodiče
senzora EKG
10. Kontaktné pole textil-kov
(pripojenie senzorov a
zobrazovacej jednotky k
riadiacej elektronike
13
Elektrická vodivosť – základné kritérium
funkčnosti inteligentného odevu
Na výrobu textilných senzorov, dátových a napájacích
káblov sa používajú špeciálne typy priadzí, ktoré vo
svojej konštrukcii obsahujú vlákna s vysokou
elektrickou vodivosťou ktoré znižujú elektrický odpor
na rozhraní pokožka – elektróda:
-
kovové vlákna: napr. vlákna z nehrdzavejúcej ocele,
medené vlákna, ...
-
pokovované vlákna: napr. postriebrené polyamidové
vlákna, ...
-
vlákna obsahujúce dispergované fázy vodivých
materiálov napr. uhlíka, ...
14
Technológia prípravy zmesných elektrovodivých priadzí na báze
štandardných a špeciálnych elektrovodivých vlákien
Technológia výroby zmesných priadzí:
-
príprava dvoj-, troj-, viaczložkových zmesných priadzí technológiou zosúkavania
štandardných (ba, PP, PES, PA, Lycra) a špeciálnych elektrovodivých vlákien/priadzí do
jednej elektricky vodivej zmesnej priadze.
-
dosiahnutý elektrický odpor vyvinutých zmesných
elektrovodivých priadzí : 130-270 
(v závislosti od typu priadze a počtu vodivých vlákien v priadzi)
Použité strojné zariadenie:
Multifunkčné zosúkavacie zariadenie DirecTwist 2B
15
Etapa 02
Podetapa 2.3
Príprava textilných senzorov
- overenie spracovateľnosti elektrovodivých priadzí do
sortimentu
hladkých
jednolícnych
záťažných
hadicových pletenín a krytých jednolícnych záťažných
hadicových pletenín,
- príprava rôznych typov a veľkostí textilných senzorov
technológiou šitia,
- elektrický odpor textilných senzorov:  1 
dosiahnutý v závislosti od počtu vodivých vlákien,
typu textilného senzora a smeru merania elektrického
odporu.
16
Etapa 02
Podetapa 2.3
Snímanie EKG signálu pomocou textilných senzorov
-
z povrchu pôvodnej aktívnej elektródy na meranie EKG signálu bola odstránená
vrstva medi (Cu), ktorá bola nahradená textilným senzorom (obrázok 1),
-
textilný senzor bol s elektronickou časťou prepojený pomocou elektrovodivej
priadze (obrázok 2).
Obr. 2: Doska plošných spojov prepojenie textilného senzora (líc)
s elektronikou (rub).
Obr. 1: Aktívna elektróda s Cu vrstvou (vľavo)
a textilným senzorom (vpravo)
17
Etapa 02
Podetapa 2.3
Vyhodnotenie EKG signálu snímaného textilným senzorom
Nahradením medenej vrstvy aktívnej elektródy textilným senzorom je možné získať
EKG signál vyhovujúcej kvality a teda použitý textilný senzor vykazuje požadované
funkčné vlastnosti.
Obr. 3: Nameraný EKG signál (signál hore) pomocou aktívnej elektródy s textilným
senzorom.
18
Záver:
Rozvoj aplikácie nanotechnológií je v súčasnosti high-tech trendom vo svete. Naše
priebežné výsledky potvrdzujú, že prostredníctvom nanoštrukturalizácie povrchu textílií,
je možné dosiahnuť zásadnú zmenu ich funkčných a úžitkových vlastností.
Z hľadiska environmentálneho je veľkým prínosom využitie sól-gél techniky pre prípravu
nanosólov na báze anorganických zlúčenín, organosilánov, oproti v súčasnosti
používaným organickým zlúčeninám často ohrozujúcim zdravie človeka.
Systémy e-zdravotníctva určené pre monitoring zdravotného stavu, prioritne starších
ľudí, predstavujú v súčasnej dobe aj v budúcnosti technológie s vysokým potenciálom.
Demografické prognózy predpokladajú nárast počtu obyvateľov na Zemi, vo veku nad
60 rokov, do roku 2050 na viac ako 2 miliardy ľudí.
Využitie inteligentných textílií v zdravotníctve umožňuje zlepšenie podmienok
monitorovania pacientov najmä s chronickým chorobami a umožňuje znížiť náklady na
zdravotnú starostlivosť o týchto pacientov.
Inteligentné textílie a odevy sú jednou z priorít výskumu a vývoja 21. storočia v oblasti
zdravotníctva, komunikačných technológií a textilného a odevného priemyslu.
19
Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku/
Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ
Ďakujeme za pozornosť
[email protected]
[email protected]
ACKONOWLEDGEMENT
This contribution was worked out in the frame of solution of the project „Research of technologies and
products for smart and technical textiles (VY-INTECH-TEX), ITMS code 26220220134 with financial
support of the European Regional Development Fund (ERDF) and Ministry of Education, Science,
Research and Sport of the Slovak Republic on the base of contract No. 137/2010/2.2/OPVaV.