Tecnologie tessili per la realizzazione dei sensori

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Fili conduttivi e fibre realizzate con elementi in metallo o con composti conduttivi sono apparsi sul mercato per impieghi industriali, batteriostatici e antistatici, o più in generale per applicazioni legate al mondo della moda, dove le proprietà meccaniche sono sfruttate per modificare la mano del tessuto. Questi fili afferiscono a due diverse categorie: fibre poliammidiche rivestite di argento, fibre di acciaio inox e filamenti continui metallici di rame, acciaio, argento e titanio.

I filamenti metallici avvolti intorno ad un filo tessile tradizionale, sia esso di cotone, lino o poliestere, sono stati usati in passato per dare un effetto stropicciato al tessuto. Metalli come il rame sono verniciati in tutte le tonalità di colore per evitare gli effetti di ossidazione, mentre i fili di acciaio, che sono meno malleabili rispetto al rame, non richiedono rivestimenti protettivi e si adattano ad applicazioni nel tessile elettronico. Da un punto di vista della conducibilità, dell’adattabilità al processo tessile industriale e della sensazione tattile, i fili migliori per la realizzazione di elettrodi che devono stare a contatto con la pelle, sono quelli in argento, che possono però dare reazioni allergiche e che sono meno resistenti al lavaggio. Fili che contengono fibre o filamenti in acciaio sono stati utilizzati per applicazioni tessili elettroniche, in particolare le fibre in acciaio possono essere lavorate con fibre estruse come il poliestere per ottenere fili conduttivi con titoli e caratteristiche diverse. La concentrazione di componenti metallici può variare a seconda del processo e della natura dell’applicazione finale, queste fibre resistono alla corrosione, sono inerti e stabili in presenza di ossigeno.
Va rilevato che il tessuto non può essere realizzato solo con fibre metalliche altrimenti la regione dell’elettrodo diventa troppo rigida e non conformabile, la quantità di metallo finale è il risultato di un compromesso tra le proprietà elettriche richieste e la necessità di mantenere le caratteristiche meccaniche compatibili con l’applicazione tessile.
Possiamo definire come materiale piezoresistivo, un tessuto caratterizzato da un valore di resistenza elettrica, che cambia in funzione di una sollecitazione meccanica, il cambiamento delle caratteristiche elettriche è legato al diverso cammino delle cariche all’interno della struttura, che sia essa un filo o una matrice di connessioni filiformi, come nel caso di un tessuto. Normalmente queste proprietà sono osservate in un filo conduttivo elastico, dove una sollecitazione meccanica influenza il flusso dei portatori di carica all’interno della struttura. Se la conducibilità è data dalla presenza d’elementi conduttivi, come ad esempio in un filo di poliammide caricato con particelle di carbone, l’allungamento del filo produce una configurazione diversa della distribuzione dei materiali conduttori che genera una modifica dei meccanismi di trasporto di carica.
Sensori tessili piezoresistivi si possono realizzare anche con tecniche di litografia. Una soluzione di materiale siliconico caricato con particelle di carbone stampata su un tessuto a base elastica fornisce un materiale conduttore la cui resistenza elettrica varia quando viene sottoposto a deformazioni meccaniche. Le proprietà finali del sensore sono legate al processo di deposizione, alla viscosità della soluzione stampata, alle caratteristiche del substrato, alla quantità di materiale stampato e assorbito e al processo di vulcanizzazione; inoltre le proprietà viscoelastiche del tessuto possono influire sulle caratteristiche del sensore. Questi tessuti stampati si comportano come sensori di sollecitazioni meccaniche e hanno valori di resistenza finale più bassi rispetto a quelli ottenuti con processi di tessitura tessili, la tecnologia consente di disegnare sul tessuto, forme e topologie infinite, attualmente la resistenza al lavaggio e la riproducibilità del processo costituiscono ancora un limite per processi produttivi industriali.
Da un punto di vista tecnologico, ci sono due principali tecniche di realizzazione dei tessuti, la tessitura a telaio e la maglieria. Per entrambe le tecnologie sono applicabili processi di rifinitura come la stampa, il ricamo, i processi di finissaggio per il colore o il miglioramento della mano (sensazione al tatto). In generale tutta la tecnologia tessile, che è estremamente sofisticata, può essere sfruttata per realizzare parti specifiche della struttura elettronica (sensori, connessioni, protezione, etc.). Con tecniche di maglieria si possono collocare i sensori nel tessuto e isolare verso l’esterno e verso l’interno il filo conduttore. Così come in maglieria è possibile lavorare fili con colori diversi per realizzare disegni ricercati con sfumature tridimensionali, nel tessile elettronico questi fili hanno proprietà elettriche diverse e possono essere alternati, nascosti o esposti secondo le esigenze per dar luogo ad una struttura tridimensionale con funzionalità diversa.
Sensori, elettrodi, connessioni, possono essere realizzati in un singolo processo alternando fili conduttivi e piezoelettrici con fili tradizionali. In fase di confezionamento del capo, che può essere fatto in taglie e modelli diversi o addirittura su misura.
La maggioranza dei sensori utili per il monitoraggio deve essere in stretto contatto con la pelle o seguire in modo fedele la forma del corpo, come una seconda pelle. Per questo motivo, l’uso della tecnologia seamless, che normalmente viene utilizzata per realizzare capi intimi ed elasticizzati consente di ottenere sistemi sensoriali, elastici, confortevoli a basso costo.
L’approccio seamless consente di realizzare modelli elastici e aderenti come una seconda pelle, in tempi brevi, senza dover confezionare il capo con processi di taglio e cucitura, inoltre è possibile realizzare regioni a compressione differenziata.