Lichtleiterbasierte körpernahe Funktionstextilien

LisensteX

Elisabeth Hardi, Michael Koerdt

• Publisher: Books on Demand
• Year: 2021
• Print ISBN: 9783753476926
• eBook ISBN: 9783753416311
• Edition: 1
• Topic: Technik & Maschinenbau
• Subtopic: Maschinenbau

Dieser Forschungsbericht dient der Veröffentlichung der in dem Projekt Lichtleiterbasierte körpernahe Funktionstextilien - LisensteX erzielten Ergebnisse. Dieses Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über die AiF - Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e. V. im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter der Nummer 20206 N/1 gefördert.

1 Einleitung

Dieser Forschungsbericht dient der Veröffentlichung der in dem Projekt Lichtleiterbasierte Funktionstextilien — LisensteX erzielten Ergebnisse. Dieses Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über die AiF – Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V. im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter der Nummer 20206 N/1 gefördert.

Projektziel war die Herstellung von lichtleiterbasierten körpernahen Funktionstextilien. Das wesentlich Neue ist, dass dafür durchmesserreduzierte, perfluorierte Polymerlichtleiter verwendet wurden. Diese zeichnen sich durch ihre besonders textilgerechten Eigenschaften aus: geringe Steifigkeit, hohe Bruchdehnung, hohe optische Transparenz auch bei kleinen Biegeradien und hohe chemische Beständigkeit. Die Lichtleiter wurden im Textil als Sensor für Verformungen oder zur Beleuchtung eingesetzt.

Der Lösungsweg war wie folgt: Der Durchmesser von handelsüblichen perfluorierten Polymerlichtleitern liegt bei 500 μm. Dieser wurde auf unter 100 μm reduziert, indem der Faserstützmantel chemisch entfernt wurde. Dadurch wird die Faser besonders formflexibel.

Die primären optischen Eigenschaften des Wellenleiters werden dadurch nicht beeinflusst. Diese optischen Funktionsfasern erlauben eine unauffällige Integration in Textilien und haben keinen negativen Einfluss auf die mechanischen Textileigenschaften und gegebenenfalls auf ihren Tragekomfort.

Zur Integration in anwendungsgerechte Textilien wurden verschiedene Verfahren wie das Sticken und Weben eingesetzt. Die große Nachgiebigkeit der Fasern stellt dabei hohe Anforderungen an die textilen Verfahren.

Die optischen und mechanischen Eigenschaften der Fasern und Funktionstextilien wurden auch unter Belastung untersucht. Die Ergebnisse werden für Gestaltungsregeln und den Aufbau von Funktionsmustern genutzt, definieren deren Gebrauchsbedingungen und stehen der deutschen Industrie für die Entwicklung neuer Produkte zur Verfügung.

Produkte sind in Bereichen zu sehen, wo die Vorteile von Polymerlichtleitern zum Tragen kommen. Ihre Vorteile liegen neben den mechanischen Eigenschaften in ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit und Multiplexfähigkeit, woraus deutlich verringerte Kontaktierungs-, Verkabelungs- und Installationsaufwände resultieren. Textile Sitzbelegungs-, Gurtsensoren und Beleuchtungstextilien für den Innenraum sind Produktbeispiele. Auch das Structural-Health-Monitoring ist zukünftig ein denkbarer Einsatzbereich.

2 Stand der Wissenschaft und Technik

2.1 Optische Fasern

Je nach Einsatzzweck haben optische Mineralglas- und Polymerfasern (POF – Polymer Optical Fiber) Vor- und Nachteile. Entscheidende Vorteile von optischen Polymerfasern für die Integration in Textilien liegen in ihren mechanischen Eigenschaften. Mineralglaslichtleitfasern sind aufgrund ihrer geringen Duktilität und hohen Steifigkeit ungeeignet, wenn besonders nachgiebige Textilstrukturen [1] oder auch medizinische Textilien [2] Messobjekt oder Lichtleiterträger sind, und erschweren ihre Integration sowie ihren Gebrauch in Textilien [3].

Zu erwähnen ist an dieser Stelle, dass die elastische Dehnung von Mineralglasfasern im Allgemeinen höher ist als die von POF, die üblicherweise viskoelastische Eigenschaften haben [4]. Die Bruchdehnung ist dagegen im Allgemeinen bei POF größer, teilweise um mehr als eine Größenordnung [5]. Gerade für die Biokompatibilität [6] ist es zwingend erforderlich, dass es nicht wie bei spröden Mineralglasfasern zu gesundheitsgefährdenden Faserbrüchen kommt [7].

Es gibt viele Ansätze zur Entwicklung von Funktionstextilien, die auf Lichtleitern basieren [8]. Bisher konnten sich kaum derartige Produkte am Markt etablieren [9]. Ein Grund dafür ist, dass für textilbasierte medizintechnische Anforderungen keine ausreichend geeignete optische Polymerfaser kommerziell erhältlich ist [10].

Das ungenügende Angebot [11] zeigt sich auch in Forschungs- und Entwicklungsprojekten, die solche anwendungsangepassten optischen Polymerfasern als Ziel haben [10]. So werden in dem Sonderforschungsbereich (Transregio) PlanOS einmodige Kernfasern entwickelt [12], wobei an der Technischen Universität Braunschweig einmodige Kern/Mantelstrukturen [13] sowie Polymerfasern für die optische Verstärkung [14] im Vordergrund stehen. Die Entwicklung von Polymerfasern für höhere Gebrauchstemperaturen wird an mehreren Stellen verfolgt [15], [13]. Das Institut für Textiltechnik Aachen ist beteiligt an der Entwicklung von Gradientenindexpolymerfasern [16]. Auch die Entwicklung von photosensitiven Polymerfasern für die Herstellung von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBGS) wird vorangetrieben [17].

Bei all diesen Entwicklungen kommen jedoch Polymere mit Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen (C–H) zum Einsatz, die aber im für viele Messmethoden interessanteren infraroten Spektralbereich im Vergleich zu perfluorierten Polymerfasern eine um mehrere Größenordnungen höhere Dämpfung haben. Dadurch lassen sich aussichtsreiche fortschrittliche Messkonzepte, die z. B. auf mehreren FBGS basieren [18], derzeit mit diesen Fasern nicht industriell anwenden oder sind auf kleinere Messstrecken limitiert [6].

Gerade in Fachliteratur aus dem Bereich „Smarte Textilien“ und aus der Medizintechnik findet man den Wunsch nach funktionsangepassten optischen Polymerfasern [10] für die Textilintegration [13] und für Funktionstextilien [19]. Eigenschaften, die wünschenswert sind und in der Literatur aufgeführt werden, sind: 1. kleinere Biegeradien [20] und verbesserte Biegewechselbeständigkeit [21]; 2. verbesserte Transparenz im Vergleich zu C–H-Polymeren [22], [23]; 3. einmodige Lichtleitung [24]; 4. Herstellbarkeit von FBGS, insbesondere in perfluorierten polymeroptischen Fasern (PPOF) [18]; 5. Faserdurchmesser kleiner als 200 μm [10]; 6. Sterilisier- und Waschbarkeit [25]. Diese Anforderungen konnten auf der Forschungsebene bereits durch die optischen, perfluorierten, erst seit dem Jahr 2000 kommerziell erhältlichen Polymerfasern ansatzweise erfüllt werden. Kommerziell erhältlich sind diese mit Durchmessern ab 500 μm von ASAHI und Chromis Fiberoptics Inc.

Als Fazit kann festgehalten werden, dass sich durch verbesserte textilgerechtere Lichtleiter in dem Bereich der lichtleiterbasierten Funktionstextilen, gerade für den medizinischen Bereich, große Fortschritte erreichen lassen [10], die heutzutage aufgrund ihres Mangels an entsprechenden optischen Fasern nicht möglich sind. Mit textilgerecht oder auch körpernahgerecht sind in diesem Projekt folgende Eigenschaften gemeint: Erlaubte Biegeradien liegen bei kleiner gleich 5 mm, die Bruchdehnung ist größer als 10 %, der Faserdurchmesser ist kleiner als 200 μm.

2.2 Intelligente Textilien

Das Forschungsthema gehört zum Gebiet der „Smart Textiles“. Für diese Textilien wurden verschiedene Definitionen aufgestellt, unter anderem in DIN CEN/TR 16298:2012-02 (D) [26]. Es existiert jedoch keine allgemeingültige Definition [27]. Es handelt sich aber immer um Textilien, die über integrierte Elemente oder intrinsische Eigenschaften mit ihrer Umgebung interagieren können [6].

Bei der Herstellung von smarten Textilien unterscheidet man zwischen textilintegrierten und textilbasierten Lösungen. Bei ersterer werden die funktionalen Elemente auf dem Textil integriert, z. B. mit der Sticktechnik. Bei textilbasierten Lösungen bilden Fasern oder textile Flächen mit sensorischen oder and...

Table of contents

• Inhaltsverzeichnis
• 1. Einleitung
• 2. Stand der Wissenschaft und Technik
• 3. Forschungsziel und Lösungsweg
• 4. Werkstoffe und Methoden
• 5. Ergebnisse
• 6. Nutzen für den Mittelstand
• Danksagung
• Literatur
• Impressum