Forschung

INNO-KOM 49MF200078

Abstract
Um elektronische Komponenten in Kleidung zu integrieren, müssen leitfähige Fadenmaterialien flexibel und belastbar sein. Herkömmliche Schutzbeschichtungen isolieren oft und erschweren die elektrische Kontaktier-ung. Nanoskalige SiOx-Beschichtungen isolieren nicht und können chemisch funktionalisiert werden. Sie sind zur Verbesserung der Waschbeständigkeit, des elektrischen Hautkontakts bis hin zum Aufbau chemisch sen-sitiver Elektroden auf Basis metallisierter Garne geeignet. Ergebnis des Projektes ElChemNano ist eine Technologie zur kontinuierlichen, elektrochemischen Abscheidung von SiOx-Schichten, um metallisierte Garne schonend zu funktionalisieren. Es ist möglich, reaktive SiOx-Haftvermittlerschichten kontinuierlich ab-zuscheiden. Dabei bleiben die Höchstzugkraft und –dehnung nahezu unverändert.

Aufgabenstellung
Durch chemisch reaktive SiOx-Schichten werden metallisierte Garne funktionalisierbar. Die kathodisch indu-zierte Polymerisation von Kieselsäure bietet die Möglichkeit, SiOx-Nanoschichten elektrochemisch selektiv auf metallisierten Garnen bei Raumtemperatur abzuscheiden. Im Vorprojekt katinPol (INNO-KOM-Ost VF150029) ist diese Art der Abscheidung auf fadenförmigen Substraten im Labormaßstab untersucht worden. Hauptziel in ElChemNano ist die Überführung der im Labor entwickelten elektrochemischen Abscheidung in einen kontinuierlichen Prozess, um textiltechnologisch verarbeitbare Fadenmaterialien zu erzeugen.

Lösungsweg
Um eine Technologie zur kontinuierlichen, elektrochemischen Abscheidung von SiOx-Schichten zu entwickeln, werden die Ergebnisse aus dem Labormaßstab auf eine kontinuierliche Fadengalvanikanlage (Abbildung 1) übertragen. Dafür wird die Anlagentechnik an die Anforderungen des neuen Verfahrens angepasst. Herausfordernd ist die Übertragung der Abscheideparameter auf den größeren Maßstab und die veränderten Bedingungen am bewegten Faden. Parallel dazu wird die Herstellung und Instandhaltung des für die Ab-scheidung notwendigen Elektrolyten im größeren Maßstab untersucht. Zusätzlich sind geeignete Verfahren zur Vorbehandlung der metallisierten Garne zu entwickeln, um Störungen der elektrochemischen Abscheidung durch Verunreinigungen der Substrate zu vermeiden. Zudem sind die resultierenden SiOx-Schichten und die Auswirkungen auf die Eigenschaften der metallisierten Garne nach der elektrochemischen Beschichtung zu untersuchen.

Abb. 1: Schematische Darstellung (links) und Foto eines Galvanikmoduls (rechts) zur kontinuierlichen elektrochemischen Abscheidung auf leitfähigen Fadenmaterialien

Ergebnis und Anwendungen
Es liegt eine Technologie zur kontinuierlichen, elektrochemischen Abscheidung von SiOx-Schichten mit Fa-dengeschwindigkeiten von bis zu 12 m/min vor. Ausgangsmaterial ist ein versilbertes Polyamidgarn der Fein-heit 117f17x2. Nach galvanischer Verstärkung der Silberschicht und einer nasschemischen Vorbehandlung wird dieses der Fadengalvanikanlage zugeführt. SiOx-Schichten können mit einer Siliziumkonzentration von mindestens 0,2 % kontinuierlich abgeschieden werden, sind jedoch noch nicht so gleichmäßig, wie sie im CVD-Prozess erzeugt werden. Dies führt zu einer noch nicht befriedigenden Abriebbeständigkeit im Webpro-zess. Jedoch ist die Anbindung ausgewählter Funktionsschichten erfolgreich nachgewiesen (Abbildung 2). Die chemische Funktionalisierung kann potentiell sogar in den kontinuierlichen Prozess integriert werden. Der elektrische Widerstand der metallisierten Garne wird nicht signifikant verändert und die Höchstzugkraft und Dehnung verringern sich um weniger als 5 % in Bezug zum Ausgangsmaterial. Durch die Erhöhung der Standzeit und den chargenweisen Ansatz des Elektrolyten wird das kontinuierliche Verfahren gesichert. Aus-gehend von der in diesem Projekt entwickelten Basistechnologie für die kontinuierliche elektrochemische Abscheidung von SiOx-Haftvermittlerschichten müssen in nachfolgenden Arbeiten die Aktivierungs- und Ab-scheideparameter so optimiert werden, dass deutlich gleichmäßigere Schichten erhalten werden.

Abb. 2: Nachweis der chemischen Funktionalität der elektrochemisch aufgebrachten SiOx-Schicht durch Färbung mit Methylenblau im kontinuierlichen Prozess 

Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz für die finanzielle Unterstützung des Forschungsprojekts ElChemNano (49MF200078).