Materiais têxteis condutores baseados em malha spacer por trama revestida com polianilina para dispositivos wearables

Abstract

Wearables são dispositivos vestíveis com capacidade de monitoramento e transmissão de dados fisiológicos e ambientais em tempo real, como sinais vitais, ritmo respiratório, contagem de passos e desempenho físico. O avanço dos wearables exige o desenvolvimento de materiais inovadores, capazes de interagir com o ambiente e responder a estímulos químicos, mecânicos, elétricos e térmicos. Entre os desafios técnicos, destacam-se a produção de estruturas leves, flexíveis, respiráveis e confortáveis ao uso prolongado, além de funcionarem sem a necessidade de cabos ou baterias rígidas. Além disso, esses sistemas podem integrar tecnologias digitais aos materiais têxteis, criando plataformas inteligentes para aplicação em áreas como saúde, esporte, segurança e moda, dando origem aos wearables têxteis. Os polímeros intrinsicamente condutores, como a polianilina (PANI), têm-se mostrado promissores pois combinam propriedades elétricas com relativa facilidade de síntese, além de serem economicamente viáveis e quimicamente estáveis. Portanto, este estudo tem como objetivo desenvolver um wearable condutor por meio da polimerização in situ da PANI sobre a superfície de uma malha spacer por trama, visando criar um substrato têxtil funcional para aplicações eletrônicas. Foram exploradas diferentes concentrações da solução de anilina (0,05 mol/L, 0,10 mol/L e 0,20 mol/L). Foram realizadas análises térmicas (DSC e TGA), ensaios de condutividade, com o objetivo de caracterizar o desempenho físico-químico e funcional do substrato têxtil polimerizado. Para avaliar a resposta piezoresistiva do material sob ciclos de compressão e descompressão foi realizado o ensaio eletromecânico. A simulação de usabilidade foi conduzida por meio de ensaios de solidez à lavagem, resistência à abrasão e tração e simulação do substrato quando em contato com o corpo humano por meio da resistência ao suor, tanto ácida como alcalina, buscando avaliar a durabilidade do material e seu desempenho de condutividade elétrica em condições reais de uso. A espectroscopia FTIR confirmou a presença da PANI, enquanto as análises térmicas (DSC e TGA) indicaram modificações na estabilidade térmica e menor perda de massa em altas temperaturas. A resistência à abrasão revelou falhas após 4.000 ciclos e queda na condutividade elétrica, atribuídas à remoção da camada condutora. O ensaio de solidez à lavagem mostrou redução da condutividade por desdopagem, embora com desempenho ainda satisfatório. Já a exposição ao suor ácido e alcalino causou leve perda de condutividade, sendo o suor alcalino mais agressivo. No conjunto, os resultados indicam que a PANI apresenta bom potencial para aplicações em têxteis inteligentes, com desempenho promissor frente aos desafios mecânicos, térmicos e químicos.

Abstract: Wearables are wearable devices capable of monitoring and transmitting physiological and environmental data in real time, such as vital signs, respiratory rate, step count, and physical performance. The advancement of wearables requires the development of innovative materials capable of interacting with the environment and responding to chemical, mechanical, electrical, and thermal stimuli. Among the technical challenges, we highlight the production of lightweight, flexible, breathable, and comfortable structures for prolonged use, in addition to operating without the need for cables or rigid batteries. Furthermore, these systems can integrate digital technologies with textile materials, creating smart platforms for application in areas such as healthcare, sports, security, and fashion, giving rise to textile wearables. Intrinsically conductive polymers, such as polyaniline (PANI), have shown promise because they combine electrical properties with relative ease of processing, in addition to being economically viable and chemically stable. Therefore, this study aims to develop a conductive wearable through the in situ polymerization of PANI on the surface of a woven spacer mesh, aiming to create a functional textile substrate for electronic applications. Different concentrations of the aniline solution (0.05 mol/L, 0.10 mol/L, and 0.20 mol/L) were explored. Thermal analyses (DSC and TGA) and conductivity tests were performed to characterize the physicochemical and functional performance of the polymerized textile substrate. To evaluate the piezoresistive response of the material under compression and decompression cycles, an electromechanical test was performed. Usability simulation was conducted through wash fastness, abrasion and tensile resistance tests, and simulation of the substrate when in contact with the human body through sweat resistance, both acidic and alkaline, to evaluate the durability of the material and its electrical conductivity performance under real-life conditions. The tests demonstrated that functionalization of the mesh with polyaniline (PANI) promotes relevant structural and functional changes. FTIR spectroscopy confirmed the presence of PANI, while thermal analyses (DSC and TGA) indicated changes in thermal stability and reduced mass loss at high temperatures. Abrasion resistance revealed failures after 4,000 cycles and a drop in electrical conductivity, attributed to the removal of the conductive layer. The wash fastness test showed a reduction in conductivity due to dedoping, although performance remained satisfactory. Exposure to acidic and alkaline sweat caused a slight loss of conductivity, with alkaline sweat being more aggressive. Overall, the results indicate that PANI has good potential for applications in smart textiles, with promising performance in the face of mechanical, thermal, and chemical challenges.