Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung robuster, präziser und sich an die Substartform anpassender Druck- und Feuchtigkeitssensoren auf Basis gedruckter Sensorschichten aus Kohlenstoffnanoröhren auf mit ELITEX® strukturierten Textilien

Die hochleitfähigen ELITEX®-Garne haben sich bereits als hoch belastbare Materialien für Zuleitungen in Heizsystemen bewährt und erlauben die Herstellung großflächiger robuster textiler Flächen. Zudem erweisen sich Strukturen auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren/Polymer-Kompositen als flexible, drucktaugliche Sensoren.

Ziel ist es, Druck- und Feuchtigkeitssensoren basierend auf Kohlenstoffnanoröhren unter Zuhilfenahme von Drucktechniken auf textile Trägersubstrate zu applizieren und mit ELITEX®-Garnen zu kontaktieren. So werden durch die textilbasierte Verschaltung von CNT-Schichten großflächige Sensorarrays geschaffen werden, die eine Druckverteilungsmessung oder die Messung einer Druckkraft über einen großflächigen Bereich und die Feuchtigkeitsbestimmung erlauben. Durch die Kombination elastischer CNT-basierter Sensorschichten und entsprechend angepassten ELITEX®-Garnen werden die Eigenschaften funktioneller Textilien hinsichtlich Integration, Robustheit, Flexibilität und Knickbruchstabilität weiter verbessert, so dass ein solches Sensorarray die extremen mechanischen Anforderungen und die Präzision, die an sensorische Strukturen in smarten Textilien gestellt werden, erfüllen kann. Mit Hilfe solcher textilen Druck- und Feuchtigkeitssensoren wird die Realisierung von atmungsaktiven, individuellen, im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen sehr robusten und präzisen Sensorarrays für den Einsatz in der Medizin und Medizintechnik möglich.

Das interdisziplinäre Projekt ist aufgrund der Aktualität der Thematik für die beteiligten KMUs besonders relevant. Während der Projektbearbeitung sind regelmäßige Treffen mit den KMUs des projektbegleitenden Ausschuss geplant, um die Projektergebnisse und deren Vermarktungspotential zu diskutieren. Durch ihre Verbindung untereinander und zu anderen im Bereich aktiven Unternehmen können weitere Vermarktungsperspektiven erschlossen werden. Die Projektergebnisse werden auf diversen Veranstaltungen und durch Publikation veröffentlicht.

Ergebniszusammenfassung:

Die Realisierung von Nanokomposit-Sensoren auf Textilien ist mit einigen Herausforderungen verbunden, die im Rahmen dieses Projektes zur Untersuchung standen. Bei den Untersuchungen wurde festgestellt, dass eine Polyvinylalkohol-beschichtung (PVA) der Textilmaterialien die Infiltration der Nanokomposit-Materialien hervorragend verhindern kann, so dass der Sensor eine hohe Empfindlichkeit haben kann. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass Silberdraht für die Realisierung von Elektrodenstrukturen sehr gut geeignet ist.

Die Sensoren lassen sich in einer Sandwich-Struktur zwischen beschichtetem Textil, eine Schicht mit integrierten Elektroden und eine Nanokomposit-Schicht sehr gut realisieren. Direkt gedruckte Schichten, auf das mit das Textilmaterial mit den integrierten Sensoren haben dagegen zu drastischen Sensitivitätsverluste geführt, so dass der Sensor nur noch als Schalter (ON oder OFF) genutzt werden kann. Durch Impedanzspektroskopie konnten die Nanokomposit-Schichten auf Homogenität untersucht werden und dadurch konnte das Herstellungsvorgang optimiert werden.

Basierend auf diese Erkenntnisse wurde eine Drucksensormatrix mit 2x2 CNT-Nanokomposit-Sensoren erfolgreich mit Siebdruckverfahren auf ein mit PVA vorbehandeltes Textilmaterial gedruckt. Eine kreisförmige interdigitale Interdigitalelektrodenstruktur wurde unter Verwendung der leitfähigen ELITEX®-Garne auf ein Textilmaterial genäht, um den elektrischen Kontakt zur Drucksensormatrix und als Schnittstelle zur Signalaufbereitungsschaltung herzustellen. Eine eingebettete Impedanzmessschaltung wurde entwickelt. Diese kann gleichzeitig die Veränderung der Impedanz der Sensoren unter Last messen und wird als Schnittstelle zur Sensormatrix verwendet. Die Sensormatrix wurde mit einer Universalprüfmaschine sowohl für statische als auch für dynamische Druckbelastungszyklen charakterisiert. Das Ziel des Projekts konnte erzielt werden und die Projektpartner arbeiten an gemeinsame Publikationen.