Inkousty na bázi grafenu pro funkční textilie

Nositelná elektronika na bázi textilu představuje nové možnosti pro výrobu flexibilních obvodů, monitorování životních funkcí ve zdravotnictví, sběr informací v oblastech životního prostředí, přeměn energie a mnoha dalších. Grafen je krystalická forma uhlíku, která se skládá z jedné vrstvy čistého uhlíkového monokrystalu grafitu. Tvoří ji jediná vrstva atomů uhlíku, které jsou hustě uspořádány do hexagonálního tvaru voštinové sítě. Grafen byl poprvé samostatně izolován na univerzitě v Manchesteru profesory Andre Geimem a Konstantinem Novoselovem, kteří objevili a popsali mnoho z jeho unikátních vlastností.

Možnosti využití grafenu jsou široké a jeho potenciál je natolik vysoký, že dokáže do budoucna změnit celou řadu průmyslových odvětví. Jeho omezení jsou však svázána s představivostí vlastníků společností, vedoucích pracovníků a vizemi chemiků, inženýrů a fyziků. Pokud je grafen aplikován formou povlaku nebo přímo integrován do textilních přízí, získáváme široké spektrum vlastností, mezi které patří např. nárůst tepelné účinnosti, snížení tělesné teploty o více než 4 °C, zvýšená ochrana proti UV záření nebo zabránění dermatologickým onemocněním. Grafen lze také použít ke zlepšení užitných vlastností různých textilií, jako jsou např. okenní závěsy, venkovní stany, přístřešky, antistatické koberce, případně je možné jej využít ke zlepšení izolace budov a výrobě tzv. chytrých textilií.

Možností úprav textilií existuje celá řada, nelze však opomenout, že aplikace nanočástic přímo do tkaniny nebo na její povrch vyžaduje odlišné postupy od těch, které jsou standardně využívány. Technika potisku je jednodušší a z hlediska nákladů efektivní a je ideální pro širokou škálu textilií a textilních materiálů o vysoké hodnotě. Grafenem potištěné textilie jsou odolnější proti opotřebení, otěru a roztržení, ale také mají větší tepelnou a elektrickou vodivost, a to z nich dělá ideální kandidáty pro tzv. nositelné technologie. To otevírá nové možnosti pro chytré textilie, což dává prostor pro vznik různých nositelných senzorů a aplikací pro přenos měřených dat. Většina používaných vodivých inkoustů je na bázi drahých kovů, jako je například stříbro, které činí výrobu velmi nákladnou a dlouhodobě neudržitelnou, zatímco grafen je nejen levnější, chemicky kompatibilní, ale také šetrný k životnímu prostředí. Elektromagnetické stínění, antibakteriální a antivirové vlastnosti, odolnost proti opotřebení a trvanlivost, ochrana proti UV záření, elektrická vodivost a zpomalení hoření jsou některé z vlastností, které lze zlepšit pomocí grafenu nejen v textilním průmyslu.

Společnost GrapheneUP SE se zabývá výzkumem a vývojem grafenu a možnostmi jeho využití. Jedním z vyvinutých produktů je inkoust pro potisk textilií označený INKGUP Fabric, který je založen na vodní bázi a grafenu GUP obsahujícím částice složené pouze z několika grafenových vrstev. Potisk na bázi GUP pak tkanině dodává zvýšenou odolnost proti praní a zároveň je šetrný k životnímu prostředí. Lze jej aplikovat na více druhů tkanin pomocí standardních průmyslových procesů, jako je potahování nožem, přímé potahování válečkem, paddy-vytvrzovacím nátěrem, stříkáním nebo kalandrováním, což výrazně zjednodušuje aplikaci grafenu. GUP tvořený jen několika vrstvami grafenu má velmi nízký obsah kyslíku, což je ideální pro dosažení nízké elektrické vodivosti a dobré tepelné disperze, a to díky jejich velkým laterálním rozměrům, nízkému množství vad a  vysokému poměru tloušťky ku šířce. GUP se vyrábí inovativním jednokrokovým procesem přímé oxidační exfoliace grafitu, jehož výsledkem je vznik pouze několika grafenových vrstev, obvykle ne více než pěti.

INKGUP Fabric byl analyzován a testován primárně z hlediska elektrické a tepelné vodivosti, antivirových vlastností a mechanických vlastností s důrazem na odolnost proti otěru. Testy byly provedeny na bavlně, polyesteru a denimu. Z hlediska elektrické vodivosti se naměřené hodnoty elektrického odporu pohybují v rozmezí od 3 do 7 Ω.m, což z látek dělá ideální kandidáty pro chytré textilie pro výrobu koberců do místností s počítači, běžecké pásy, textilie pro nemocnice a další aplikace. Odolnost tkaniny proti otěru byla ověřována na polyesterové textilii Martindale testem (EN ISO 12947-1/2), který prokázal až šestinásobné zvýšení odolnosti u grafenem upravené tkaniny (viz obr. 2).

Koronavirové onemocnění je jednou z nejintenzivnějších globálních epidemií, kterým lidstvo v moderních dějinách čelí. Vysoký počet obětí a negativní dopady šíření nemoci se promítly do celosvětového ekonomického útlumu. Vzhledem k tomu, že stále neexistuje žádný definitivní lék na covid-19, se aplikace grafenu jeví s přihlédnutím k jeho antibakteriálním a antivirovým vlastnostem jako potenciální kandidát na to, aby snížil riziko nákazy. Díky tomu se otevírají možnosti pro výzkum interakcí virů a bakterií s textiliemi ošetřenými grafenem a jejich možného využití v boji proti pandemii koronaviru. Jedním z předpokladů je, že antivirové mechanismy materiálu na bázi grafenu mohou souviset s inaktivací viru a/nebo receptoru hostitelské buňky, elektrostatického zachycení a následné fyzikálně-chemické destrukce samotného viru. Tyto účinky mohou být zesíleny funkcionalizací uhlíku činiteli, které zlepšují interakci mezi grafenem a virem. Za tímto účelem byly také testovány INKGUP textilie infikované virovým kmenem SARS-CoV-2 dle normy ISO 18184: 2019. Testováno bylo 12 vzorků o rozměru 20 x 20 mm vyrobených z bavlněné textilie a stejný počet vzorků z textilie povlakované INKGUP Fabric. Všechny vzorky byly sterilizovány při teplotě 121 °C po dobu 15 minut, objem testovacího roztoku byl 200 µl a doba kontaktu dvě a šest hodin.

Výsledky ukázaly, že antivirový index vzorků původní textilie byl menší než 1 po dvou i šesti hodinách, zatímco antivirový index vzorku potažený INKGUP Fabric byl 3,54 a 3,75 po dvou a šesti hodinách. V rámci normy ISO 18184:2019 se považuje jako dobrý antivirový výsledek hodnota indexu vyšší než dva a vynikající výsledek jako index vyšší než tři. Dle dostupných informací se tak stalo poprvé, co povlak s grafenovými nanočásticemi vykazuje tak vysoké antivirové vlastnosti. Tímto se tak otevírají nové možnosti pro využití inkoustu INKGUP Fabric např. pro filtry pro dopravní vozidla nebo různé roušky a masky. Nošení roušky je jedním z nejúčinnějších způsobů, jak se chránit proti aktivním, vzdušným, virovým a bakteriálním patogenům. Je tedy předpokladem, že pokud bude INKGUP Fabric aplikován např. na masku, tak nejenom že se infekční aktivita na povrchu výrazně omezí, čímž se výrazně zvýší ochrana před infekcí jinou osobou, ale také může současně docházet k zabíjení patogenu, který ulpívá na povrchu masky.

Pozornost byla dále věnována také teplotní vodivosti tkanin s potiskem INKGUP Fabric, a to zejména s ohledem na absorpci tepla různými druhy textilií. Výsledky ukázaly, jak může inkoustem modifikovaná textilie odvádět tělesné teplo, což vede ke zlepšení komfortu a nižším nárokům na regulaci teploty (viz obr. 3).

Fyziologické reakce na krátkodobé a dlouhodobé vystavení nadměrnému teplu jsou poměrně dobře popsány mnoha studiemi, kdy po opakovaném vystavení dochází v těle ke zlepšení adaptace celého kardiovaskulárního systému. Schopnost jednotlivce odvádět teplo má zásadní význam např. při cvičení, nebo pokud se pohybujeme ve vyšší nadmořské výšce. Vlivem přehřátí dochází k pocení a odpařování vzniklého potu je nejefektivnější cestou pro odvod přebytečného tepla zářením, kterému náš oděv obvykle zabraňuje. Grafen záření absorbuje a následně dochází k jeho disipaci pomocí FIR záření (Far Infrared) a odvodu tepla prouděním (konvekcí). Tím je možné zajistit zahřívání nebo chlazení různých textilních materiálů. INKGUP Fabric lze tak využít například k rozptýlení tělesného tepla a jeho regulaci, čímž se výrazně sníží pocení (viz obr. 4).

Grafenový potisk absorbuje teplo produkované tělem, rozvádí ho uvnitř oděvu a interakcí s okolním prostředím dochází k jeho disipaci. Ventilační zóna na hrudi a na zádech umožňuje rychlý odvod potu a účinnou cirkulaci vzduchu. Struktura umožňuje rychlé odpařování potu, takže nedochází k pocitu vlhkosti, a současně se tak zvyšuje celkový komfort, včetně snížení či neutralizace tělesného zápachu. Schopnost grafenu absorbovat tělesné záření a vyzařovat infračervené záření zvyšuje tepelně izolační vlastnosti zimních oděvů, pokud jsou umístěny co nejblíže k pokožce.

Pro zajištění optimální intenzity a efektivity lokálního odvodu tepla je v rámci inteligentní textilie nezbytné zajištění správné tloušťky grafenového potisku, a případně jeho vhodné strukturování v závislosti na použité tkanině. Na základě získaných znalostí byl pro optimalizaci tepelné disperze vytvořen funkční vzorek chytrého trička lokální aplikací potahu grafenovou pastou s obsahem 1,3 % hm. grafenu metodou sítotisku na vnitřní straně.

Článek vznikl jako výstup projektu FV40159 Inteligentní textilie na bázi grafenu, který byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím MPO ČR v programu TRIO.