Smarte Textilien ohne starre Verdrahtung Flexible, leitfähige Polymeroberflächen für smarte Textilien

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In einem IGF-Projekt entwickelten das Filk Freiberg Institute und Out e. V. auf Basis wasserbasierter Impranil-PU-Dispersionen eine laserstrukturierte, CNT-gefüllte, leitfähige PU-Folie, die ein homogenes Potenzialfeld erzeugt. Dadurch lassen sich LEDs und Sensoren frei im Textil platzieren, in Echtzeit ansteuern und bidirektional vernetzen – skalierbar bis zum Digitaldruck.

Der Markt für smarte Textilien wächst. Entwickler suchen nach immer neuen Wegen, elektronische Funktionen ohne die Nutzung starrer und komplexer herkömmlicher Verkabelungen direkt in Textilien zu integrieren. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, arbeitete das Filk Freiberg Institute, eine unabhängige Forschungseinrichtung mit Expertise im Bereich Polymerbeschichtungen für textile Anwendungen, mit dem Optotransmitter Umweltschutz Technologie (Out) e.V. zusammen. Das gemeinsame Projekt im Rahmen des Förderprogramms „Industrielle Gemeinschaftsforschung“ (IGF) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWE) konzentrierte sich auf die Entwicklung flexibler, leitfähiger Polymeroberflächen für smarte Textilien der nächsten Generation.

Das Ziel bestand in der freien Anordnung mehrerer LEDs und Sensoren auf einer Textiloberfläche durch Schaffung eines gleichmäßigen und leitfähigen „Potenzialfelds“ innerhalb des Materials. Diese Technologie bietet im Vergleich zu herkömmlichen elektronischen Schaltungen eine größere Flexibilität.

Entwicklung einer flexiblen leitfähigen PU-Folie

Um die erforderliche Kombination aus Leitfähigkeit, Dehnbarkeit und Flexibilität zu erreichen, setzten Filk und Out e.V. auf wasserbasierte Impranil Polyurethan-Dispersionen (PUDs) von Covestro. Mithilfe dieses Materials entwickelten sie eine flexible, leitfähige PU-Folie, in die Carbon-Nanotubes (CNT) als elektrisch leitfähige Additive eingearbeitet wurden.

Die Laserstrukturierung der leitfähigen Polymeroberfläche gewährleistete eine präzise Einstellung der elektrischen Eigenschaften des Potenzialfeldes, sodass LEDs und Sensoren ohne herkömmliche Verkabelung frei über die Textiloberfläche verteilt werden konnten. Die aktive Steuerung der eingebauten LEDs über die integrierten Sensoren ermöglicht je nach Anwendungsfall eine Echtzeitüberwachung sowie eine bidirektionale Kommunikation über modulierte Spannung oder Bluetooth.

Dr. Martin Heise, stellvertretender Leiter der Abteilung Funktionale Schichtsysteme am Filk Freiberg Institute, erklärt dazu: „Unser Ziel bestand darin, die Integration von Elektronik in Textilien neu zu denken. Mithilfe der Impranil-Polyurethan-Dispersionen von Covestro konnten wir statt einer starren Verkabelung eine leitfähige Oberfläche entwickeln, auf der wir Sensoren und Lichtquellen wesentlich flexibler anordnen können und so neue Designs und Anwendungen für smarte Textilien ermöglichen.“

Dr. Iris Vela-Wallenschus, Projektmanagerin bei Out e.V., ergänzt: „Frei angeordnete Elektronik, Echtzeiterfassung und bidirektionale Kommunikation innerhalb eines flexiblen textilen Trägermaterials stellen einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Wearable-Technologie dar. Gemeinsam mit Filk und Covestro konnten wir demonstrieren, dass sich diese Art von adaptiver Funktionalität auf einem Niveau realisieren lässt, das mit herkömmlichen Verkabelungskonzepten nur schwierig zu erreichen ist.“

Neue Anwendungen durch leitfähige Polymeroberflächen und integrierte Sensorik

Das Ergebnis ist eine Technologieplattform, die leitfähige Polymermaterialien, Sensorintegration und intelligente Steuerung vereint. Diese Plattform eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten, z. B. einen sensorgesteuerten Body für Neugeborene zur Phototherapie bei Gelbsucht. Die derzeitigen Standardbehandlungen für Gelbsucht bei Neugeborenen basieren auf Blaulicht mit einer Wellenlänge von etwa 455 nm in Krankenhausinkubatoren. Ein flexibler Baby-Body, in den blaue LEDs und Sensoren direkt integriert sind, könnte den Therapieverlauf kontinuierlich überwachen und die Lichtintensität sowie die Lichtverteilung in Echtzeit anpassen. Dieser Ansatz könnte dazu beitragen, flexiblere Behandlungsmöglichkeiten zu entwickeln, die durch Hebammen unterstützt werden können.

Weitere Anwendungsbeispiele für Formulierungen auf Basis von Impranil PUD sind beheizbare Textilien, Drucksensoren und flexible Leiterbahnen für tragbare Elektronik. Dieses System lässt sich zudem an skalierbare Fertigungsprozesse wie den Digitaldruck anpassen und ermöglicht so vielfältige Einsatzmöglichkeiten in Bereichen wie Sportbekleidung, Fahrzeuginnenausstattung, Schutzausrüstung und vernetzte IoT-Geräte.

Dr. Torsten Pohl, Global Head of Textile Coatings bei Covestro, fügt hinzu: „Dieses Projekt verdeutlicht, wie Materialinnovationen neue Funktionen in Textilien eröffnen können. Unsere wasserbasierten Impranil-Polyurethan-Dispersionen boten die erforderliche Flexibilität, Beständigkeit und Verarbeitbarkeit, um ein komplexes Konzept in eine skalierbare Plattform für smarte Textilien umzusetzen. Wir sind stolz darauf, Filk und Out e.V. bei der Entwicklung eines Systems unterstützt zu haben, das in der Praxis Wirkung zeigt – von der Versorgung von Neugeborenen bis hin zum breiteren Markt für Wearables.“

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