Forschung

INNO-KOM 49MF200090

Abstract
Bei Smart Textiles spielen die Haftung und der Übergangswiderstand eine wichtige Rolle, wenn es um die Kontaktierung von Leiterbahnen und elektrischen Bauteilen geht. Derzeit kommt es immer wieder zu Wackelkontakten bzw. zu schlechten Übergangswiderständen, weil die Haftung unter Erhalt der Flexibilität noch nicht ausreichend ist. Durch das Aufbringen einer thermisch aktivierbaren und gleichzeitig klebenden Beschichtung auf leitfähige Fadenmaterialien wird es möglich, eine sichere und zuverlässige Kontaktierung zu gewährleisten. Diese Oberflächenfunktionalisierung mit und ohne zusätzliche leitfähige Partikel ist mittels eines herkömmlichen Fadenbeschichtungsverfahrens erfolgt. Mittels Druck und Temperatur wird nach der textiltechnischen Verarbeitung die Beschichtung aktiviert und bewirkt somit einen haftfesten Kontakt an den Kreuzungspunkten der leitfähigen Fadenmaterialien. Die erreichte Haftungsverbesserung ist dabei von der Art der Beschichtungspaste und von der aufgebrachten Menge abhängig. Dabei ist jedoch ein Kompromiss zwischen Auftragsmenge und dem entstehenden Abrieb zu finden, um das bestmögliche Ergebnis zu erhalten.

Aufgabenstellung
Ziel ist die Entwicklung einer Oberflächenfunktionalisierung von elektrisch leitfähigen Garnen mit thermisch aktivierbaren, klebenden Beschichtungen zur sicheren und zuverlässigen Kontaktierung. Das Aufbringen der thermisch aktivierbaren, klebenden Beschichtung dient primär der Erstellung einer festen und zuverlässigen, zugleich aber flexiblen Kontaktierung zwischen zwei Leiterbahnen innerhalb eines stick- bzw. webtechnisch erzeugten Textils oder zwischen zwei textilen Flächen/Einheiten sowie elektrischen Bauelementen. Auf diese Weise werden „Wackelkontakte“ und damit schlechte Übergangswiderstände zwischen den leitfähigen Komponenten vermieden und insbesondere durch die Zugabe von elektrisch leitfähigen Partikeln in die Polymermasse reduzierte Übergangswiderstände erreicht.
Sekundär dient die Beschichtung als physikalischer und chemischer Schutz der Fadenoberfläche vor Umwelteinflüssen wie z. B. Reibung, Kratzern, Korrosion und UV-Strahlung. Es ist ebenfalls eine verlängerte Lebenszeit der leitfähigen Fadenmaterialien und Flächen zu erwarten, z. B. eine längere Stabilität der Kontakte unter Einflüssen von Bewegungen sowie Waschzyklen.

Lösungsweg
Die entwickelte Oberflächenfunktionalisierung mit und ohne zusätzliche leitfähige Partikel ist mittels eines herkömmlichen Fadenbeschichtungsverfahrens per Galette auf leitfähige Fadenmaterialien aufgebracht wurden. Nach der stick- und webtechnischen Verarbeitung wird die aufgebrachte Beschichtung mittels Druck und Temperatur aktiviert und bewirkt somit einen haftfesten Kontakt an den Kreuzungspunkten der leitfähigen Fadenmaterialien. Bereits durch die Beschichtung auf Polyurethan Basis ohne leitfähige Partikel können zudem die Übergangswiderstände an diesen Kreuzungspunkten verringert werden. Das Einbringen von leitfähigen Partikeln führt zu einer weiteren Verringerung. Im Projekt ist es gelungen mittels Ultraschall eine gleichmäßige Beschichtungspaste mit leitfähigen Partikeln zu erzeugen. Bei der Lagerung bzw. im Gebrauch zeigen sich jedoch Sedimentationserscheinungen. Um eine homogene und lagerstabile wässrige Beschichtungspaste herzustellen, bedarf es daher weiterer Optimierungen. Auch das Aufbringen der leitfähigen Partikel in Pulver bzw. wässriger Form nach der Applizierung auf die noch feuchte verklebende Beschichtung ist möglich. Bei einigen leitfähigen Fadenmaterialien ist damit eine Verringerung des elektrischen Widerstandes nachweisbar. Allerdings sind diese Schichten sehr ungleichmäßig und vor allem die Schichten auf Basis der leitfähigen Pulver weisen eine geringe Haftung auf. Zudem sind anlagentechnische Anpassungen zum nachträglichen Aufbringen der leitfähigen Partikel u. a. zur Verringerung der Tunnelbildung im Pulvervorlagebehälter notwendig.
Die entwickelten leitfähigen Fäden mit thermisch aktivierbarer, klebender Beschichtung auf Polyurethanbasis sind stick- und webtechnisch verarbeitbar. Die aufgebrachte PU-Beschichtung bedingt eine raue Fadenoberfläche, was sich in höheren Reibungskräften und Fadenspannungen wiederspiegelt. Durch das Aufbringen einer zusätzlichen reibungsminimierenden Schicht ist dieses Problem beherrschbar. Das leitfähige Fadenmaterial sowie die Beschichtungsauflage der aktivierbaren Beschichtung spielen eine entscheidende Rolle bei der textiltechnologischen Verarbeitung und der Verbesserung der Kontaktstellen. Eine höhere Beschichtungsauflage verbessert die Haftung der Kontaktstellen, führt jedoch zu Schwierigkeiten bei der textiltechnologischen Verarbeitung und zu Erhöhung der Übergangswiderstände durch Isolationserscheinungen. Zudem ist eine Verbesserung nicht in jedem Fall nachweisbar. Letztendlich ist aufbauend auf den Ergebnissen keine eindeutige Empfehlung möglich, dafür sind weitere ausführliche Versuchsreihen notwendig. Die angestrebte Verbesserung der chemischen Beständigkeit ist in der Verringerung des Korrosionsstromes um ca. 87 % ersichtlich.

Ergebnis und Anwendungen
Das Hauptziel die Entwicklung einer Oberflächenfunktionalisierung von elektrisch leitfähigen Garnen mit thermisch aktivierbaren, klebenden Beschichtungen zur sicheren und zuverlässigen Kontaktierung im Bereich der Smart Textiles ist erreicht worden. Um die Mehrkosten für den zusätzlichen Beschichtungsschritt zu rechtfertigen, sind jedoch weitere Versuche notwendig, insbesondere müssen Aktivierungs- und Bestückungsprozesse sowie textile Strukturen und Modifizierungen der Beschichtung und Anlagentechnik überdacht werden.

Abbildung 1: Aufnahmen vom Rasterelektronenmikroskop vom ELITEX® mit Oberflächenfunktionalisierung,
links und mitte: Längsansicht, rechts: Querschnitt

Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz für die finanzielle Förderung des Forschungsvorhabens 49MF200090 “eELITEX“, die als Zuwendung aus dem Bundeshaushalt erfolgte.