Syr in termoelektronik i vanligt tyg
Med en vanlig hushållssymaskin har forskarna sytt in den elektriskt ledande tråden av cellulosa i ett tyg och lyckats tillverka en termoelektronisk textil, som kan producera en liten mängd elektricitet när textilen värms upp på ena sidan, till exempel av en människas kroppsvärme.​​​​​​​
​ Foto: Anna-Lena Lundqvist, Chalmers

Stor potential för cellulosatråd i elektrisk textil

Elektroniska textilier kan skapa revolutionerande nya möjligheter, inte minst inom hälso- och sjukvård. Av hållbarhetsskäl behöver denna nya typ av mjuk elektronik göras av förnybara material. Nu presenterar ett forskarlag, lett från Chalmers, en cellulosatråd med mycket intressanta egenskaper för elektroniska textiler. ​

Forskningen publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften ASC Applied Materials and Interfaces.
– Miniatyrstora elektroniska prylar som vi bär på kroppen ökar allt mer i våra dagliga liv. Idag är de ofta beroende av sällsynta eller i en del fall giftiga material som dessutom riskerar att bygga upp stora elektroniska avfallsberg. Därför är behovet av organiska och förnybara material i elektroniska textiler både stort och väldigt angeläget att vi möter upp, säger Sozan Darabi, doktorand på institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers och Wallenberg Wood Science Center, och huvudförfattare till artikeln.  
Ihop med Anja Lund, som ingår i samma forskargrupp, har hon arbetat med elektriskt ledande fibermaterial för elektroniska textiler tidigare i sin forskning, men då med silke. Nu har de tagit sina upptäckter vidare i cellulosa, tillsammans med kollegor i Sverige, Finland och Sydkorea.

Inbyggd elektronik i giftfria, förnybara och naturliga material

Resultaten som forskarna nu presenterar visar att cellulosatråd har stor potential som ett ledande material i elektroniska textiler. Tråden kan användas på många olika sätt. 
I projektet har forskarna sytt in den elektriskt ledande tråden av cellulosa i ett tyg med en vanlig hushållssymaskin. De har lyckats tillverka en termoelektronisk textil som kan producera en liten mängd elektricitet när textilen värms upp på ena sidan, till exempel av en människas kroppsvärme – typiskt 0,2 microwatt vid en temperaturdifferens på 37 grader celsius. 
– Cellulosatråden skulle kunna användas för att tillverka klädesplagg av giftfria, förnybara och naturliga material som har inbyggda elektroniska, smarta funktioner, säger Sozan Darabi.  
Cellulosatråden är framställd i en process som utvecklats av medförfattare från Aalto universitetet. I en efterföljande metod har Chalmersforskarna lyckats göra cellulosatråden ledande genom att färga in den med ett elektriskt ledande polymert material. I forskarnas mätningar har infärgningen gett cellulosatråden en rekordhög ledningsförmåga. Den går att öka ytterligare om man adderar silvernanotrådar. I testerna har ledningsförmågan bibehållits efter ett flertal tvättar.

Nyttan med e-textiler och vinsterna med cellulosa

Elektroniska textiler kan förbättra våra liv och vår vardag på många olika sätt. Ett viktigt område är inom hälso- och sjukvård där elektronik integrerad i tyg kan ge textilen funktioner som att reglera, övervaka och mäta vår hälsa.
I textilindustrin, som har stort behov av att ställa om till hållbara råmaterial, har naturmaterial och fibrer från skogen blivit allt vanligare för att ersätta syntetiska fibrer. I förhållande till den omställningen har den elektiskt ledande cellulosatråden en betydelsefull roll, menar forskarna.
– Cellulosa är ett fantastiskt material som går att utvinna hållbart och återvinna. Vi kommer se mer och mer av det i framtiden. När vi använder samma material genomgående i en produkt, eller så få olika som möjligt, kan den återvinnas betydligt bättre och effektivare. Ur det perspektivet är den här cellulosatråden också mycket intressant i utvecklingen av e-textiler, säger Christian Müller, forskningsledare för studien och professor på institutionen för kemi och kemiteknik på Chalmers.
Arbetet av forskargruppen från Chalmers utförs inom det nationella forskningscentret Wallenberg Wood Science Center, i samarbete med kollegor i Sverige, Finland och Sydkorea.
 
Läs artikeln i den vetenskapliga tidskriften ASC Applied Materials & Interfaces:
 

Mer om: Ny expertkunskap på ledande fibrer

Både Sozan Darabi och Christian Müller ser att forskningen har resulterat i mycket mer än den vetenskapliga publikationen som de nu presenterar tillsammans med kollegorna. Sozan har utvecklats till en expert på elektriskt ledande fibermaterial, vilket Christian Müller ser som väldigt glädjande och en stor styrka för teamet. Genom det nationella forskningscentrumet Wallenberg Wood Science Center har en grupp från Kungliga tekniska högskolan som fokuserar på de elektrokemiska aspekten i fibrerna varit med i forskningen och i publikationen.
Tillsammans med gruppen från KTH planerar forskarlaget nu att ta idéerna till nästa nivå.
Läs även tidigare pressmeddelande: Elektrisk textil tänder lampa när den töjs

Mer om: cellulosatråden

Den elektriskt ledande tråden är producerad i en beläggningsprocess ”lager-på-lager” med ett bläck som baseras på den biokompatibla polymeren ”polyelectrolyte complex poly (3,4 ethylenedioxythiophene): poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS)”. E-textiltråden som forskarna har utvecklat uppmäter en för cellulosatråd rekordhög ledningsförmåga i förhållande till volym på 36 S/cm-, som kan ökas till 181 S/cm- genom att addera silvernanotrådar. Tråden belagd med PEDOT:PSS klarar minst fem tvättar i maskin utan att förlora sin ledningsförmåga. Genom att integrera cellulosatråden i en elektrokemisk transistor har forskarna kunnat uppvisa dess elektrokemiska funktion.

Mer om: textilierna från skogen och intresset från modebranschen

Textilier har tillverkats av naturfiber och cellulosa sedan lång tid tillbaka i mänsklighetens historia, men sedan mitten av 1900-talet har syntetiska fibrer ofta använts i våra kläder och varit mest dominerade i modebranschen.  I takt med jakten på mer hållbara alternativ ökar nu intresset mer och mer för naturliga fibrer och textiler av skogsmaterial Stora svenska kedjor som Lindex och HM har höga målsättningar för att öka andelen plagg som är producerade av mer hållbara fibrer.
Cellulosafibern av skogsmaterial som forskarna har använt är av typ Ioncell® vilket den finska gruppen, som leds av professor och medförfattaren Herbert Sixta, har utvecklat.
 
Kontakter
Sozan Darabi, doktorand på institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers
Christian Müller, professor på institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers

Sidansvarig Publicerad: ti 11 maj 2021.