Povrchové ukládání kovů na textilní struktury

Azam Ali, M.Sc.

Doctoral thesis

Surface deposition of metals on textile structures

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá vývojem elektricky vodivých, multifunkčních textilií chránících proti elektromagnetickému záření v širokém rozsahu frekvencí (EMI). V první části práce byly připraveny vodivé textilie pomocí in-situ povrchové depozice částic mědi. Pro studium morfologie nanesených částic mědi byl použit skenovací elektronový mikroskop a rentgenové difrakční techniky. Funkčnost vodivých tkanin byla analyzována hodnocením účinnosti elektromagnetického stínění v kmitočtovém rozsahu 30 MHz až 1,5 GHz. Bylo zjištěno, že stínění elektromagnetického rušení se zvyšuje se zvyšujícím se počtem dílčích nánosů, což přímo souvisí se zvýšeným odrazem elektromagnetického záření jako důsledek tvorby husté (za perkolačním prahem) rovnoměrnější povrchové vrstvy vodivých částic mědi. Dále byla zkoumán vliv povrchové vrstvy částic mědi na antibakteriální odolnost proti patogenním bakteriím, jako je Staphylococcus aureus a Escherichia coli. Textilie s povrchovou vrstvou částic mědi vykazovaly dobrou odolnost v praní, což bylo prokázáno jak mikroskopickým zkoumáním mikrostruktury, tak malou ztrátou elektrické vodivosti po praní. Cílem druhé části disertační práce bylo vyvinout multifunkční tkané vodivé textilie v plátnové vazbě s přijatelnou elektrickou vodivostí pomocí in-situ nanášení částic stříbra. Byl zkoumán vliv koncentrace soli stříbra a počtu dílčích nánosů na změnu elektrické vodivosti, elektromagnetického stínění (EMI) a antimikrobiálních vlastností těchto multifunkčních tkanin. Pro studium morfologie uložených částic stříbra byla použita SEM analýza. Bylo zjištěno, že elektromagnetické stínění se zvyšuje se zvyšováním obsahu částic stříbra. Stříbrné částice byly také nanášeny na elastické pleteniny pomocí stejného způsobu in-situ nanášení. Cílem byla příprava elastických (vratně deformovatelných) vodivých pletenin pro možné aplikace v elektroterapii. Výhodnost těchto pletenin byla hodnocena na základě řady vlastností, jako je elektrická vodivost v normálním a deformovaném stavu, antibakteriální schopnosti a trvanlivost. Do 80% ní tahové deformace byla pozorována velmi malá změna elektrické vodivosti. Po 90% ní tahové deformaci bylo zjištěno, že se elektrický odpor významně zvyšuje. Bylo simulováno chování vodivých pletenin (elektrod) při různých pohybech lidského těla pomocí změn elektrického odporu při opakovaných cyklech prodlužování a odlehčování. Bylo zjištěno, že elektrický odpor zůstává konstantní při více než 100 cyklech prodlužování a odlehčování. Dlouhodobé působení konstantního elektrického proudu nevýznamně změnilo elektrický odpor elastických vodivých pletenin. Tyto elastické vodivé pleteniny textilií bude možno použít jako flexibilní textilní elektrody v elektroterapii transkutánní elektrické stimulace nervů. Třetí část disertační práce je zaměřena na návrh jednoduchého způsobu povrchového ukládání částic kovů na bavlněné tkaniny bez použití elektrického pole zkráceným. Povrch tkaniny byl aktivován nanesením nanočástic stříbra a mědi a následně byla vytvořena tenká vrstva částic mědi bez elektrickým pokovováním. Funkčnost povrchově pokovených tkanin byla hodnocena pomocí elektrické vodivosti, elektromagnetického stínění, teploty odporového ohřevu a bakteriální odolnosti. Textilie, kde byla provedena aktivace nanesením částic stříbra s následným bezproudovým pokovováním mědí, vykazovaly vyšší účinnost ve srovnání s textiliemi, kde byla provedena aktivace nanesením částic mědi s následným bezproudovým pokovováním mědí. Textilie aktivované nanesením částic stříbra s elektrolytickým pokovením mědi měly povrchový odpor 20 ?,

Abstract:

elektromagnetického stínění 75,53 dB a teplotu 119 ° C při ohřevu pomocí stejnosměrného napětí 10 V při konstantním proudu 1 A (10 wattů). Kromě toho tyto textilie vykazovaly delší trvanlivost efektů. Cílem čtvrté části disertační práce bylo připravit elektricky vodivé multifunkční textilie využitelné jako elektrody pro triboelektrický generátor (TrEG). Vodivé textilie byly vyrobeny depozicí

Abstract:

The present work deals with the development of electrically conductive, EMI shielded, multifunctional fabrics. At first, the conductive textiles were developed by in-situ deposition of copper particles. The scanning electron microscope, and X-ray diffraction techniques were employed to study the morphology of deposited copper particles. The utility of conductive fabrics was analysed for electromagnetic shielding effectivity over frequency range of 30 MHz to 1.5 GHz. The electromagnetic interference shielding was found to increase with increase in number of dips, which was attributed to increased reflection of EM waves due to dense, uniform, and percolated network of conductive copper particles on the surface. Furthermore, the role of deposited copper particles on antibacterial properties was examined against pathogenic bacteria such as Staphylococcus aureus and Escherichia coli. At the end, the durability of fabrics was examined against washing. The fabrics showed good retention of the copper particles, proved by scanning electron microscopic microstructures and small loss in the conductivity of the material after washing. The objective of second part was to develop multifunctional plain-woven conductive fabrics with acceptable electrical conductivity by in-situ deposition of silver particles. The e?ect of silver nitrate concentration and number of dips was investigated for change in electrical conductivity, EMI shielding, and antimicrobial properties of coated fabrics. SEM analysis were employed to study the morphology of deposited silver particles. The EMI shielding was found to increase with increase in concentration of silver particles. Furthermore, silver particles were also deposited on stretchable knitted fabrics by adopting the same method of in-situ deposition. The purpose of this study deals with the development of stretchable conductive fabrics for possible applications in electrotherapy. The performance of silver-coated fabrics was evaluated based on number of properties such as electrical conductivity at normal and stretching state of fabrics, antibacterial, and durability. Furthermore, the conductive fabrics were subjected to various repeated extensions and change in electrical resistivity was examined to simulate the performance of electrodes under various movements of human body. With increase in extension till 80%, very small change in electrical resistivity was observed and after 90% extension, the electrical resistivity was found to increase significantly. The resistivity was found to remain constant for repeated extensions of over 100 cycles and also there was insignificant change in electrical resistivity when constant current was applied over prolonged time. The utility of silver-coated fabrics can be expected as flexible textile electrodes in transcutaneous electrical nerve stimulation electrotherapy applications. The third part of study, proposed a simple way of surface metallization of cotton fabrics by electroless plating using a shorter route than is conventional. The fabric surface was activated by deposition of silver and copper nanoparticles, and then a thin layer of copper was coated using electroless plating. The performance of coated fabrics was compared in terms of electrical conductivity, electromagnetic interference (EMI) shielding, Joule heating and antibacterial properties. The samples prepared by electroless plating of copper showed greater performance for the fabric first deposited with silver particles than those first deposited with copper particles. Samples of copper electroless plating over silver had surface resistivity of 20 ?, EMI shielding of 75.53 dB and Joule heating of 119 °C by using DC input varied from 5-10 V and at constant current 1 A (the experiment was carried out up to 10 watt). Moreover, samples with modified electroless plating showed better attachment of the metal layer and therefore longer durability The objective of fourth part was to make electrically conductive

Keywords

Vodivé textilie, částice mědi, stříbra částice, elastomerní vodivé textilie, povrchová metalizace, stínění elektromagnetického rušení, antibakteriální vlastnosti, inteligentní textilie, elektrody TEN, elektroterapie, elektrolytické pokovování, kovové povlaky, senzory a akční členy, pokovování mědi, sběr energie, triboelektrický generátor

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 1. 2020

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Jiří Militký, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering