Desenvolvimento de sensor piezoresistivo flexível para aplicação têxtil desportiva

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Têxtil
Atualmente, os têxteis inteligentes vêm promover à indústria um fator económico e competitivo muito importante para a sua sustentabilidade. A sua importância vai permitir às empresas novas oportunidades de negócio e expansão para outros mercados. A modernização e a evolução do mercado, passa pela diferenciação de produtos e pela produção de artigos de valor acrescentado. Neste sentido, a incorporação de funcionalidades tecnológicas aos produtos vestíveis vai permitir elevar a indústria e os têxteis a outro patamar. Por outro lado, a implementação de tecnologia nos têxteis pode ser aplicada em vários campos, como em áreas de medicina, militar, social, desportiva, entre outras. No que diz respeito ao âmbito desportivo, a procura por têxteis inteligentes está muito valorizada e é hoje, efetivamente, um produto apetecível na medida em que garantam o mesmo conforto que habitualmente conferem. Têm funcionalidades acrescidas, como por exemplo o de reagir perante um estímulo, adaptar, informar, medir ou quantificar mediante à atividade que exercem. O incremento da tecnologia nos têxteis vai permitir que, por exemplo, um atleta monitorize o seu treino instantaneamente, e permita melhorar a sua performance e rentabilidade desportiva. Nesta conjuntura, a implementação de sensores nos produtos têxteis vai garantir a criação de produtos inovadores. Assim, este trabalho teve como objetivo principal desenvolver um sensor têxtil de pressão flexível para envolver um saco de boxe, capaz de quantificar a força exercida quando aplicada uma pancada. Os sensores foram produzidos com base num tecido condutor e num filme piezoresistivo, em que a união destes dois materiais fez-se através de um termoadesivo, obtendo por fim uma sandwich de materiais. Foram testados dez termoadesivos distintos, com diferentes estruturas e composições químicas, para garantir elevada adesão e excelente resistência ao uso. O estudo permitiu a análise das propriedades térmicas e mecânicas dos materiais, por forma a assegurar a fiabilidade e a resistência necessária. Quanto à construção do sensor, recorreu-se a um método industrial em processo contínuo, para assegurar a reprodutibilidade e a otimização de produção. O processo utilizado para a união dos materiais foi através de laminagem com uma calandra rotativa. O comportamento dos sensores foi avaliado através de um processo integrado, entre a análise da força exercida e da tensão aplicada em simultâneo sobre o sensor, por forma a verificar a fiabilidade, a sensibilidade e a linearidade do sensor. Após a identificação do termoadesivo com melhores resultados de adesão - termoadesivo 6388.003, foi realizado recorte a laser com estruturas distintas para avaliar a estrutura ideal. O recorte do adesivo é necessário para proporcionar condução elétrica entre os elétrodos e a camada piezoresistiva visto que o termoadesivo é isolante elétrico. Assim, o termoadesivo 6388.003 estrutura G, recortado com circunferências de diâmetro 0,3cm e superfície livre de 59% apresenta resultados mais positivos que as outras estruturas testadas. Quanto à resistência ao desprendimento, o termoadesivo 6388.003 apresenta 87% de maior adesão face ao termoadesivo 311 testado. Em suma, neste estudo, o sensor têxtil piezoresistivo que apresenta melhores características eletromecânicas e de desprendimento é o que se apresenta na forma combinada de tecido condutor Statex, filme polimérico piezoresistivo Linqstat e do termoadesivo 6388.003 estrutura G.
Currently, smart textiles are a very important factor for textile industry’s economic and competitive progress, as well as for its sustainability. It is one of the areas that provides companies with new business opportunities and expansion to other markets. Modernization and evolution of the market involves product differentiation and added-value- articles. In this sense, incorporation of new technological functionalities into wearable products will allow industry and textiles to be taken to another level. On the other hand, implementation of technology in textiles can be applied in several areas, such as medical, military, sports, social areas, among others. In regards to sports, the search for smart textiles is highly valued and it’s today, effectively a product in high demand that should provide the same comfort as normal products confer. By adding functionalities, it offers the capability of reacting to stimulus, adapting, recording, measuring or quantifying parameters related to the activity exercised. By applying technology in textiles, it is possible, for example, for an athlete to monitor his training instantly, and allows him to improve his performance and sports profitability. In this context, the implementation of sensors in textile products provides a development opportunity of new and innovative products. Therefore, this work had as the main objective developing a pressure sensor made with flexible materials to involve a punching bag, capable of quantifying force applied when punched. The sensors were produced based on conductive fabric and a piezoresistive film. The bonding of these two materials (sandwich) was made through a thermo-adhesive material, having in this work ten different adhesives been tested with distinct structures and chemical compositions, to guarantee high adhesion and excellent wear and tear resistance. The study enabled the analysis of the thermal and mechanical properties of the materials used, in order to guarantee reliability and the necessary mechanical resistance. In regards to the creation of the sensor itself, an industrial method based on a continuous process has been tested, to allow reproducibility and optimization of production. The bonding of the materials was completed by a laminating process by the use of rotating calander (rolling machine). The behaviour of the sensors was evaluated through an integrated process, involving the analysis of force applied on the sensor and relating this to the sensor’s reaction, in order to verify the reliability, sensitivity and linearity of the sensor. After identifying the thermal adhesive with the best adhesion results – thermal adhesive 6388.003, a laser cut with different structures was performed to evaluate an ideal structure. Given that the adhesive is an electric isolator, it was necessary to produce a cut pattern to allow electrical contact between the sensor’s material layers. It was found that the thermal adhesive 6388.003 cut with pattern G, with a diameter with 0.3 cm and a free surface of 59% provides better results than other tested forms. Regarding resistance of adhesion, thermal adhesive 6388.003 presents 87% higher adherence than others thermal adhesive tested. Based on the results, the piezoelectric textile sensor that offer the best electromechanical behaviour and characteristics is the sandwich with conductive fabric Statex, piezoresistive polymeric film Linqstat and adhesive 6388.003 structure G.