Используя процесс, названный «Сварка натурального волокна», который был разработан сотрудником Пола К. Трулова из Военно-морской академии США, исследователи встраивают функционализированные материалы — на молекулярном уровне — в пряжу на основе целлюлозы, такую как хлопок. Йост, которого консультируют Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный университет и профессор кафедры попечительского совета инженерного колледжа, и Женевьева Дион, директор лаборатории высоких технологий Шима Сейки и доцент Колледжа медиаискусств Антуанетты Вестфаль. Дизайн поднял этот процесс на новый уровень.
Она и ее команда используют NFW для стратегического изменения пряжи для различных целей, но больше всего они заинтересованы в хранении энергии.«Если мы собираемся реализовать энергетический текстиль, определение наилучшего способа функциональности нашей пряжи — это первый шаг», — сказал Йост. «Сварка натуральных волокон доказала свою высокую эффективность в производстве пряжи, которую мы можем настроить для конкретных целей, включая накопление энергии. Эта работа возможна только благодаря успешному сотрудничеству между лабораторией высоких технологий Drexel Shima Seiki Haute Tech, Институтом наноматериалов AJ Drexel и химический факультет Военно-морской академии США.
Чтобы это произошло, пряжу сначала обрабатывают расплавом соли, который вызывает набухание полимерных цепей, открывая структуру. Затем они заделывают его функциональным материалом, например, частицами активированного угля, пропуская нить через шприц, наполненный смесью материала с ионной жидкостью. Затем пряжа протягивается через иглу шприца, который физически вдавливает уголь в волокна, и наматывается на катушку.
Ионная жидкость удаляется промывкой пряжи водой, которая также повторно затвердевает хлопковое волокно, задерживая частицы углерода на поверхности.В результате получается сложный композитный волокнистый материал, который сохраняет свою первоначальную гибкость, но приобретает емкостные свойства активированного угля.
Подобно тому, как обычные устройства накопления энергии имеют металлические пластины для улучшения электропроводности, сварная пряжа из активированного угля и натурального волокна перед испытанием скручивается с пряжей из высокопроводящей нержавеющей стали. Активированный уголь сам по себе не обладает достаточной проводимостью для использования в энергетике, поэтому пряжа из нержавеющей стали позволяет легче заряжать материалы.
«Уникальность этого процесса заключается в том, что мы можем использовать любую имеющуюся в продаже пряжу из целлюлозы — хлопок, лен, бамбук, вискозу, вискозу», — сказал Дион. «Это добавляет еще один уровень возможностей настройки, поскольку мы можем сваривать толстую или тонкую пряжу, содержащую более длинные или более короткие волокна, что может привести к текстилю с уникальными механическими свойствами. Мы используем активированный уголь для большей части наших исследований, потому что это, как правило, кожа -дружелюбна и обычно используется в фильтрах для воды. Пряжа может быть заделана различными углеродными наноматериалами, но мы смотрим в будущее на создание удобной одежды, поэтому в игру вступают такие проблемы, как раздражение кожи ».Этот метод внедрения углеродных частиц в целлюлозную пряжу является важным шагом на пути к производству тканей для аккумулирования энергии.
Это развитие идет еще дальше в статье, недавно опубликованной в Advanced Energy Materials, где несколько типов проводящей пряжи испытываются и вяжутся в цельные ткани, способные накапливать энергию, с использованием промышленных вязальных машин в лаборатории Shima Seiki Haute Technology Lab.«При разработке емкостной пряжи лучше всего определить, можно ли ее ткать или вязать», — сказал Йост. «В противном случае как мы узнаем, действительно ли ее можно использовать в носимых устройствах?»«Эта область представляет больше разнообразных проблем, чем просто работа над улучшением электрохимических характеристик», — сказал Йост. «Не все новые материалы и технологии позволяют получить электродную пряжу, подходящую для вязания.
Наше исследование уникально, поскольку оно рассматривает как электрохимические характеристики, так и жизнеспособность пряжи для промышленного производства».Йост и ее команда увидели, как эта задача разыгралась перед ними, когда они перешли от создания емкостной пряжи к попыткам связать ее. Наилучшие результаты по емкости, которые не уступали обычным суперконденсаторам, были получены при использовании хлопковой пряжи, скрученной со сталью перед сваркой.
«Это изменение в порядке сборки улучшило доступ электронов ко всем покрытым углеродным частицам, поскольку они обрабатываются сталью», — сказал Йост. «В отличие от скручивания их вместе после нанесения покрытия, когда было определено, что только около половины всего углерода находится в хорошем контакте со стальной пряжей. К сожалению, несмотря на отличные характеристики, ни одна из хлопчатобумажных пряж не вязалась без разрывов».
Таким образом, группа перешла к тестированию пряжи из смеси бамбука, льна и вискозы / нейлона в надежде найти более прочную комбинацию. И хотя ни один из трех других типов пряжи не давал такого же высокого уровня электрохимических характеристик, как пряжа на основе хлопка, все они были достаточно прочными, чтобы их можно было связать в ткань без разрывов.
«Мы считаем, что более длинные волокна бамбуковой, льняной и вискозной пряжи повышают их прочность и снижают вероятность их разрыва в процессе вязания», — сказал Йост.Команда вместе с исследователями из A.J.
Институт наноматериалов Дрекселя уже разрабатывает трикотажные суперконденсаторы, продолжая при этом исследовать новые материалы и процессы производства.