DE102007043576B4 - Textile Flächen mit elektrisch leitfähigen Mustern und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von elektrisch leitfähigen Mustern auf Textilien. Das Verfahren dient zum Aufbringen von Pasten oder Tinten mit elektrisch leitfähigen Partikeln sowie elektrisch nicht leitfähigen Bindemitteln.
Description
- Die Erfindung betrifft textile Flächen mit elektrisch leitfähigen Mustern sowie Verfahren zu deren Herstellung.
- Die Entwicklung von Textilien mit integrierter Elektronik stellt eine große Herausforderung für Textil- und Elektroindustrie dar. In jüngster Zeit wurde eine ganze Reihe sogenannter „wearable electronics“ bekannt. Hierzu zählen Kleidungsstücke wie Skijacken mit eingebetteter Technologie für Navigation, Rettung aus Not, Kommunikation mit Skipartnern und Unterhaltung. So innovativ und zukunftsweisend diese Entwicklungen auch sind, so unvorteilhaft erfolgt die elektrische Verbindung der elektronischen Komponenten bislang noch immer mit elektrisch leitenden Kabeln oder durch mehr oder weniger inflexible Leiterbahnen, die keineswegs dem geforderten Tragekomfort eines Textils entsprechen.
- In einer von den Firmen Philips und Levis hergestellten Jacke, der sogenannten Philips-Levis ICD+-Jacke wird die elektrische Verbindung von elektronischen Komponenten durch mehrere im Stoff eingearbeitete und damit nicht sichtbare elektrisch leitende Kabel ermöglicht. Mittels dieser Verdrahtung konnten mehrere elektronische Komponenten wie Mobiltelefone, MP3-Player, Mikrofone, Lautsprecher und Displays in ein Textil integriert werden. Die einzelnen elektrischen Komponenten sind über Stecker mit den Leiterbahnen verbunden und können zum Waschen des Textils entfernt werden. Diese innere Verdrahtung ist relativ starr und genügt vor allem bei leichteren textilen Materialien bei weitem nicht den Anforderungen an den Tragekomfort eines konventionellen Textils.
- Um den textilen Charakter möglichst wenig zu beeinträchtigen, werden neuerdings vor allem elektrisch leitfähige Fasern verwendet, die entweder als Filamente oder als Stapelfasern hergestellt und zusammen mit Textilfasern versponnen werden können. Die elektrische Leitfähigkeit der daraus hergestellten Garne kann durch das Mischungsverhältnis der beiden Faserarten beliebig eingestellt werden. Mit solchen Garnen lassen sich permanent elektrisch leitfähige Textilien und auch Leiterbahnen auf Textilien herstellen, deren Tragekomfort mit konventionellen Textilien vergleichbar ist. Außerdem halten diese Materialien auch Wäschen stand. Die so hergestellten Textilien genügen sowohl den Anforderungen der Antistatik, schützen vor Elektrosmog und sind zudem für die Integration von Elektronik geeignet. Die hierzu verwendeten elektrisch leitenden Fasern lassen sich in zwei Kategorien einteilen, nämlich natürlich elektrisch leitfähige Fasern und durch chemische Behandlung oder Beschichtung leitfähig gemachte Fasern.
- Zu den natürlichen elektrisch leitfähigen Fasern zählen Metallfasern aus Silber, Eisenlegierungen, Nickel, Edelstahl, Titan, Aluminium, Kupfer und Kohlenstoff, die mit einem Faserdurchmesser zwischen 1 und 80 µm hergestellt werden können. Neben den hohen Herstellungskosten muss als wesentlicher Nachteil dieser metallischen Fasern deren Sprödigkeit genannt werden, wodurch die Spinnmaschine zur Herstellung der Fasern häufig beschädigt wird. Außerdem weisen diese Fasern ein hohes spezifisches Gewicht auf, wodurch eine homogene Durchmischung mit den Textilfasern nicht möglich ist.
- Elektrisch leitfähige Fasern lassen sich auch durch Beschichtung oder Imprägnierung konventioneller textiler Fasern mit Metallen, galvanisch abscheidbaren Substanzen oder Metallsalzen wie beispielsweise Kupfersulfat und Kupferjodid herstellen. Die Beschichtung mit Metallen kann zu hochleitfähigen Fasern führen, wobei sowohl die Adhäsion als auch die Korrosion der Metallbeschichtung große Probleme bereitet und daher keine praktische Anwendung findet. Die galvanische Beschichtung hingegen ist sehr teuer und zudem nur auf leitfähigen Materialien wie Graphit und Kohlefasern möglich und findet ebenfalls nur begrenzte Anwendung. Die Imprägnierung textiler Fasern mit Metallsalzen wie beispielsweise Kupfersulfat und Kupferjodid liefert zwar leitfähige aber keine niederohmigen Fasern und scheitert außerdem an der geforderten Waschbeständigkeit.
- In mehreren Veröffentlichungen wie zum Beispiel Dagani, R.: CEN, (2003) January, p.25-30, sowie Österholm, J.-E.; Cao, Y.; Klavetter, F.; Smith, P.: Synthetic Metals, Vol.55 (1993) 2-3, 1034-1039, und Heisey, C.L.; Wightman, J.P.; Pittman, E.H.; Kuhn, H.H.: TRJ Vol. 63 (1993) 5, 247-256, ist weiterhin beschrieben, dass sich leitfähige Beschichtungen auf Fasern und Garnen mit elektrisch leitfähigen Polymeren auch zur Herstellung elektrischer Leiterbahnen nutzen lassen. Geeignete Polymere finden sich in den intrinsisch elektrisch leitenden Polymeren wie Polyanilin, Polypyrrol, Polyacetylen, Polythiophen u.a., welche mittels starker Oxidationsmittel dotiert, und damit in die elektrisch leitende Form überführt werden können. Die Imprägnierung eines Textils mit einer dieser Substanzen wie beispielsweise Polyanilin führt zu guten antistatischen Effekten und schützt gegen Elektrosmog. Ein wesentlicher Vorteil dieser Polymere besteht in der guten Adhäsion und der Unempfindlichkeit gegenüber Korrosion. Besonders nachteilig ist jedoch die hohe Lichtempfindlichkeit der beschichteten Garne und Textilien, aufgrund der die elektrische Leitfähigkeit größtenteils wieder verloren geht und die Beschichtung mit zunehmender Belichtungszeit in einen Isolator übergehen kann.
- Die
WO 2007/ 074 090 A1 WO 2005/ 020 246 A1 EP 0 023 554 B1 ,WO 2004/ 024 436 A1 DE 102 10 269 A1 offenbart.- - In Schneider, R.: Elektrisch leitfähige Tinten und Pasten für textile Anwendungen, VDTF-Hauptversammlung 17/18.05.2007 in Baden-Baden, sind integrierte Elektronikstrukturen, insbesondere elektrisch leitende Bahnen in Textilien beschrieben. Als geeignete elektrische Partikel sind Russ, Graphit und Silber angeführt, die mittels Topcoat-Verfahren in Schichtdicken größer als 200 µm auf die Textilien aufgebracht werden.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Anwendungsbereiche für Textilien durch Integration elektrisch leitfähiger Strukturen zu erweitern ohne dadurch die textilspezifischen Eigenschaften derartiger Strukturen negativ zu beeinträchtigen.
- Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
- Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Erzeugung von elektrisch leitfähigen Mustern auf Textilien, wobei hierzu Tinten mit elektrisch leitfähigen Partikeln sowie elektrisch nicht leitfähigen Bindemitteln auf die Textilien aufgebracht werden.
- Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, leitfähige Muster auf Textilien auszubilden, welche elektrisch leitfähige Partikel in Form von Tinten aufweisen, die zudem ein elektrisch isolierendes Bindemittel aufweisen.
- Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die elektrisch leitfähigen Muster trotz der Einbettung der elektrisch leitenden Partikel in eine isolierende Matrix des Bindemittels niederohmige Eigenschaften aufweisen, so dass diese insbesondere zum elektrischen Stromtransport und zur Übertragung elektrischer Signale eingesetzt werden können.
- Erfindungsgemäß sind die elektrisch leitenden Muster so ausgebildet, dass im nassen Zustand der Textilien diese Muster Schichtdicken größer als 200µm aufweisen und zudem Oberflächenwiderstände kleiner als 400Ω/sqr (sqr = square = Flächenelement) aufweisen.
- Wesentlich bei den erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Mustern ist die Einbettung der elektrisch leitfähigen Partikel in das Bindemittel als isolierender Matrix.
- Die textil spezifischen Bindemittel sorgen für eine waschpermanente Fixierung der elektrisch leitfähigen Partikel auf den Textilien, das heißt den textilen Flächen, und zwar unter Beibehaltung hoher elektrischer Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Strukturen.
- Durch die Einbindung der elektrisch leitfähigen Partikel in die isolierende Matrix des Bindemittels werden elektrisch leitfähige, niederohmige Muster auf Textilien erhalten, welche den textilen Charakter der textilen Ware nicht beeinträchtigen und den geforderten Echtheitsanforderungen hinsichtlich Waschbeständigkeit, Knickbruchbeständigkeit und Reibechtheit genügen. Dadurch ließen sich Textilien mit integrierter Elektronik preiswerter und insbesondere maßgeschneidert und individuell fertigen.
- Wesentlich ist, dass die elektrisch leitfähigen Muster auf den Textilien den Griff der Textilien nicht oder nicht nennenswert beeinträchtigen. Dies bedeutet, dass durch die Aufbringung der Muster auf die Textilien die Biegesteifigkeiten dieser Textilien nicht oder nicht nennenswert erhöht werden.
- Die erfindungsgemäßen Textilien können generell flächige elektrisch leitfähige Muster aufweisen. Erfindungsgemäß bilden die Muster lineare Strukturen zur Ausbildung von Leiterbahnen.
- Die elektrisch leitfähigen Partikel und das Bindemittel bilden Tinten, die insbesondere mittels eines Inkjet-Verfahrens auf die Textilien aufgebracht werden. Dadurch können einfach und genau auch komplexe elektrisch leitfähige Muster auf den Textilien aufgebracht werden.
- Das Bindemittel wird gemeinsam mit den elektrischen Partikeln in Form von Tinten auf die textile Fläche, das heißt das Textil aufgebracht.
- Erfindungsgemäß finden metallsalzhaltige wässrige Lösungen, die Silbernitrat enthalten, Anwendung, welche bei der Applikation oder in einem nachfolgenden Schritt mit den reduzierend wirkenden Substanzen Glucose oder Fructose zu elementaren Metallspiegeln, das heißt elementarem Metall, oder feindispersen Metallpartikeln reduziert werden.
- Als isolierende Matrix können konventionelle Bindemittel eingesetzt werden, welche im konventionellen Pigmentdruck angewendet werden. Typische Anwendungskonzentrationen liegen bei 1-10%. Für die Fixierung von Partikeln auf Textilien kommen in textilen Ausrüstungsverfahren und beim Pigmentdruck vor allem N-Methylolacrylate, Acrylate, Styrolacrylate, Stryrolbutadiene, Acyrylonitril-butadiene und Butadien-acrylat Copolymere als Bindemittel zum Einsatz. Polyacrylatcopolymere stellen hierbei den bei weitem größten Anteil im Pigmentdruck und in Inkjettinten dar. Diese Bindemittel können thermisch gehärtet werden und unterscheiden sich in der resultierenden Härte des Binderfilms, der u.a. auch durch das Copolymerisatverhältnis bestimmt und sehr gut durch den Glasumwandlungspunkt TG beschrieben werden kann. Hoher TG heißt harter, niedriger TG weicher Binderfilm. Durch Auswahl eines geeigneten Bindemittels für die Tintenformulierung und die separate Binderapplikation könnte sowohl die Griffgebung des bedruckten Substrats, das heißt Textils als auch die Echtheiten gezielt beeinflusst werden. So wird mit Butadienbindern im allgemeinen ein weicher Griff aber auch schlechte Reibechtheiten erhalten, während mit Styrol-Acrylat-Copolymeren meist gute Echtheiten aber auch ein härterer Griff erhalten werden. Daneben können auch strahlenhärtbare Bindemittel angewendet werden, da diese Bindemittel bereits in sehr geringen Konzentrationen zu hohen Echtheiten führen. Ein Beispiel für ein derartiges strahlenhärtbares Bindemittel ist Ebecryl 2001 mit einem Photoinitiator wie Esacure DP 250, insbesondere in einer Konzentration von 10% bezogen auf das Bindemittel. Diese wie die folgenden %-Angaben stellen Gewichts-Prozente dar.
- Erfindungsgemäß dienen die elektrisch leitfähigen Muster als Leiterbahnen zum Stromtransport und/oder zur Übertragung elektrischer Signale.
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 : Biegesteifigkeitswerte verschiedener Topcoats auf Baumwolle (nicht zur Erfindung gehörend). -
2 : Temperatur-Zeit-Kurve für ein textilbasiertes Heizelement auf Basis einer Silberbeschichtung. -
3 : Temperatur-Zeit-Kurve für ein textilbasiertes Heizelement auf Basis einer Rußbeschichtung (nicht zur Erfindung gehörend). - In Tabelle 1 (nicht zur Erfindung gehörend) ist der Einfluss der Pastenrezeptur, insbesondere der verwendeten elektrisch leitfähigen Partikel auf den Oberflächenwiderstand der so hergestellten elektrisch leitfähigen Muster auf Textilien dargestellt. Die für den Oberflächenwiderstand angegebene Maßeinheit Ω/sqr stellt die Angabe nach ISO 93 dar. Tabelle 1 (nicht zur Erfindung gehörend):
Partikel Bindemittel Verdicker Oberflächenwiderstand [Ω/sqr] Verfahren Ruß 20% 20 % 1 % 440 Beschichtung Oberflächendruck ITO 20% 5 % 1 % 5100 Ag 20% 1 % 1 % 4 Ag 20% 5 % 1 % 4 - Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass sich bei Verwendung von Silber als elektrisch leitfähige Partikel prinzipiell dieselben Ergebnisse wie bei Verwendung von Graphit und Ruß zeigen. Die Applikation der Druckpaste und die Erzeugung eines Oberflächendrucks ist von entscheidender Bedeutung für das Erreichen eines niedrigen Oberflächenwiderstands. Inwiefern sich die Schichtdicke der leitfähigen Silberschicht auf den Oberflächenwiderstand auswirkt, ist in Tabelle 2 am Beispiel einer Silberbeschichtung (10% Ag, 5% Binder, 2% Verdicker) auf Baumwolle dargestellt. Tabelle 2:
Schichtdicke nass [µm] Schichtdicke trocken [µm] Oberflächenwiderstand [Ω/sqr] 15 Nicht messbar > 4 * 107 30 Nicht messbar > 4 * 107 60 Nicht messbar > 4 * 107 90 2,7 > 4 * 107 150 1,5 30 250 7,9 19 500 11,8 2 - Wie die Messergebnisse zeigen, werden erst bei Schichtdicken von 200-500µm (nass) brauchbare Leitfähigkeiten erhalten. Bei diesen Applikationsmengen bilden sich dann Silberschichten von bis zu 15 µm aus, deren Oberflächenwiderstand bei weniger als 20Ω/sqr liegt und bei einem Binderanteil von 5% abriebfest fixiert ist.
- Textilbasierte Heizelemente
- Aus den bedruckten Textilien werden Streifen mit einer Größe von 6 cm * 4 cm ausgeschnitten und mittels zweier 4cm breiter Klemmelektroden im Abstand von 5 cm an eine Gleichstromquelle (15 V) angeschlossen. Das Prüfensemble wird nach außen mittels Styroporplatten isoliert und die Temperatur zeitabhängig aufgezeichnet. Es ergeben sich die in den
2 und3 dargestellten Temperatur-Zeit-Kurven. Dabei zeigt2 den zeitabhängigen Temperaturverlauf bei einem Aufheizen eines textilbasierten Heizelements gemäß o.g. Spezifikation auf Basis einer Silberbeschichtung.3 zeigt die entsprechende Kurve für ein Heizelement auf Basis einer Rußbeschichtung. - In den
2 und3 ist der Temperaturverlauf während einer Aufheizphase von 4 min dargestellt. Im Falle der Silberbeschichtung wird die Endtemperatur von 75°C nach bereits 2 min erreicht. Es wurde ein Stromfluss von max. 0,5A gemessen. In weiteren Versuchen mit dickeren Oberflächenbeschichtungen (>200µm) konnten Oberflächentemperaturen von über 140°C erreicht werden. - Die Beschichtungen auf Basis von Ruß lieferten eine maximale Oberflächentemperatur von bis zu 44°C bei einem maximalen Stromfluss von 30mA. Im vorliegenden Fall wird die Endtemperatur nach 4min erreicht.
- Die Heizleistung kann in beiden Beispielen durch einen regelbaren Vorwiderstand an die Bedürfnisse des Anwenders angepasst werden.
Claims (8)
- Verfahren zur Erzeugung von elektrisch leitfähigen Mustern auf Textilien, gekennzeichnet durch Aufbringen von Tinten mit metallsalzhaltigen wässrigen Lösungen, wobei die metallsalzhaltigen wässrigen Lösungen Silbernitrat enthalten, wobei aus diesen nachfolgend durch Verwendung von Reduktionsmitteln elementares Metall zur Bildung der leitfähigen Partikel gewonnen wird, wobei als Reduktionsmittel Fructose oder Glucose verwendet wird, sowie mit elektrisch nicht leitfähigen Bindemitteln, wobei die nicht elektrisch leitfähigen Bindemittel eine isolierende Matrix für die elektrisch leitfähigen Partikel bilden, und wobei die elektrisch leitfähigen Muster Leiterbahnen bilden, wobei die elektrisch leitfähigen Muster zur Übermittlung elektrischer Signale dienen, wobei die Schichtdicken der aufgebrachten elektrisch leitfähigen Muster im nassen Zustand größer als 200µm sind, und wobei die Oberflächenwiderstände der elektrisch leitfähigen Muster kleiner als 400 Ohm/sqr sind.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Tinten durch Inkjet-Verfahren auf die Textilien aufgebracht werden. - Textile Fläche mit elektrisch leitfähigen Mustern erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der
Ansprüche 1 oder2 . - Textile Fläche nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Partikel Tinten in Konzentrationen bis zu 20 % beigemischt sind. - Textile Flächen, nach einem der
Ansprüche 3 oder4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittel in Konzentrationen von 1 bis 10 % in den elektrisch leitfähigen Mustern vorliegen. - Textile Flächen nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittel von N-Methylolacrylaten, Acrylaten, Styroacrylaten, Styrolbutadienen, Acrylonitril-Butadienen, Butadien-Acrylat-Copolymeren oder Polyacrylat-Copolymeren gebildet sind. - Textile Flächen nach einem der
Ansprüche 5 oder6 , dadurch gekennzeichnet, dass strahlenhärtbare Bindemittel in den elektrisch leitfähigen Mustern vorgesehen sind. - Textile Flächen nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass den strahlenhärtbaren Bindemitteln ein Photoinitiator beigemischt ist.
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