Liquid crystal elastomers in active textiles

Abstract

Active textiles can react to external stimuli such as heat, light, electric and magnetic fields, humidity and pressure. This property is enabled by actuators that are materials integrated into the textile and able to respond to stimuli. Stimulating the actuator can lead to shape deformation such as contracting or bending. Active textiles have many potential applications including clothing, artificial muscles and interior design materials.

This thesis is a literature review that examines the use of liquid crystal elastomers (LCEs) as actuators in textiles. LCEs can be activated by heat, which results in a phase transition in their structure and leads to shape deformation. This thesis explores the methods for integrating LCE yarns into textiles and discusses the associated challenges.

The results indicate that LCE yarns can be woven, knitted and sewn. The chosen technique affects the volume and direction of the shape deformation. The main challenges are the relatively high temperature required for heat actuation and limitations in recycling.

The study field is relatively new and currently no commercial applications of LCE-based textiles exist. However, the results indicate that LCEs can be integrated into textiles that require reversible and repetitive shape changes.

Aktiiviset tekstiilit pystyvät reagoimaan ulkoisiin ärsykkeisiin, kuten lämpöön, valoon, sähkö- ja magneettikenttään, kosteuteen sekä paineenvaihteluun. Tämä ominaisuus perustuu tekstiiliin integroituun aktuaattoriin eli ärsykkeeseen reagoivaan materiaaliin. Aktuaattorin stimulointi johtaa usein tekstiilin muodonmuutokseen, kuten kutistumiseen tai taipumiseen. Aktiivisilla tekstiileillä on useita mahdollisia sovelluskohteita, esimerkiksi vaatteet, tekolihakset sekä sisustusmateriaalit.

Tämä tutkielma on kirjallisuuskatsaus, jossa tarkastellaan nestekide-elastomeerin kykyä toimia aktuaattorina tekstiileissä. Nestekide-elastomeeria voidaan stimuloida esimerkiksi lämmöllä, jolloin se käy faasimuutoksen läpi. Faasimuutoksessa sen rakenne muuttuu, mikä johtaa muodon muuttumiseen. Tutkielmassa selvitetään, miten nestekide-elastomeerilankaa voi integroida tekstiileihin ja mitä mahdollisia haasteita sovelluskohteisiin liittyy.

Tulosten mukaan nestekide-elastomeerilanka soveltuu kankaan kutomiseen, neulomiseen sekä ompelemiseen. Tekstiilinkäsittelytekniikan valinnalla on vaikutusta aktuaation aiheuttaman muodonmuutoksen voimakkuuteen ja suuntaan. Keskeiset haasteet nestekide-elastomeerien hyödyntämisessä aktiivisissa tekstiileissä liittyvät lämpöaktuaatiossa vaadittavan lämpötilan korkeuteen sekä nestekide-elastomeerin kierrätettävyyteen.

Tutkimusala on tuore, ja nestekide-elastomeeria hyödyntävät tekstiilit ovat vasta kehitysvaiheessa. Tällaisilla tekstiileillä ei ole vielä kaupallisia sovelluksia, mutta tutkimustulokset osoittavat, että nestekide-elastomeeri voi soveltua tekstiileihin, joilta vaaditaan kykyä muuttaa muotoaan toistuvasti.