Multifunctional light-responsive textiles and their sustainable development

Abstract

Photoresponsive textiles are gaining increasing attention for their potential in health monitoring, resource conservation, and comfort-related applications. Unlike electronic smart textiles, they deliver responsive functions without circuitry, offering prospects of simpler fabrication and reduced environmental impact. This thesis investigates the potential of such non-electronic photoresponsive textiles through two case studies and a critical assessment of the field from a broader perspective.

The first part introduces hackmanite-coated textiles as ultraviolet (UV)-monitoring tools. For the first time, hackmanite was successfully deposited onto fabric using a safe and simple coating method. The resulting textiles displayed a strong UV-induced color change from white to purple, with a response threshold closely matching the erythemal action spectrum of human skin. This feature enabled accurate monitoring of UV index (UVI) values below 3, the level at which protective measures are recommended to prevent early sunburn. Furthermore, the fabric exhibited exceptional fatigue resistance, maintaining stable coloration over at least 20 photochromic cycles, confirming its potential as a reliable UV-sensing material.

The second part focuses on ZnO-coated photocatalytic textiles and the influence of synthesis parameters on their self-cleaning and UV-blocking performance. A systematic study of nine parameters identified conditions yielding flower-like ZnO morphologies with superior photocatalytic activity. The refined coatings exhibited nearly complete UV blocking and effective self-cleaning, achieving 73 % methylene blue (MB) degradation within 1 h and 90 % after 24 h of solar exposure, as well as 32 % removal of coffee stains after 1 h and 82 % after 24 h.

The final part presents a critical review of 130 peer-reviewed studies on photoresponsive non-electronic textiles, revealing significant gaps between laboratory demonstrations and real-world applicability. A key issue was that these textiles were frequently tested under high-intensity, single-wavelength light sources that are rarely achievable in everyday indoor or outdoor environments. As a result, many proposed applications remain unverified in their intended settings, and the suggested benefits claimed under such idealized conditions were often overly optimistic. Some health-related uses, such as UV monitoring and self-disinfecting fabrics, appear promising. However, in most cases, further research and life-cycle studies are required to evaluate usability under intended lighting conditions and to validate sustainability claims.

--- Kiinnostus valoon reagoivia tekstiilejä kohtaan kasvaa niiden terveyden seurantaan, resurssien säästämiseen ja mukavuuteen liittyvien sovellusten tarjoamien mahdollisuuksien vuoksi. Toisin kuin elektroniset älytekstiilit, nämä tekstiilit tarjoavat reagoivia toimintoja ilman virtapiirejä, mikä mahdollistaa yksinkertaisemman valmistuksen ja pienemmän ympäristövaikutuksen. Tämä väitöskirja tutkii tällaisten ei-elektronisten valoon reagoivien tekstiilien potentiaalia kahden tapaustutkimuksen, ja laajemmasta näkökulmasta alan kriittisen arvioinnin avulla.

Ensimmäisessä osassa esitellään hackmaniitilla päällystetyt tekstiilit UV-säteilyn seurantatyökaluina. Hackmaniittia onnistuttiin ensimmäistä kertaa yhdistämään kankaaseen turvallisella ja yksinkertaisella päällystysmenetelmällä. Tuloksena saadut tekstiilit osoittivat voimakasta UV-valon aiheuttamaa värimuutosta valkoisesta violetiksi, jonka vastekynnys vastasi hyvin ihmisen ihon punoitusta aiheuttavaa spektriä. Ominaisuus mahdollisti luotettavan seurannan UV-indeksiarvoille alle 3, jolloin suojatoimenpiteitä suositellaan varhaisten auringonpolttamien välttämiseksi. Sen lisäksi kangas osoitti erinomaista väsymiskestävyyttä säilyttäen päällysteen värin vakaana yli 20 fotokromisen syklin ajan, mikä vahvistaa sen potentiaalin luotettavana UV-säteilyä havaitsevana materiaalina.

Toinen osa keskittyy sinkkioksidilla (ZnO) päällystettyihin fotokatalyyttisiin tekstiileihin sekä synteesiparametrien vaikutukseen niiden itsepuhdistumiseen ja UV-säteilyn estokykyyn. Yhdeksän parametrin systemaattinen tutkimus tunnisti olosuhteet, joissa syntyi kukanmuotoisia ZnO-morfologioita, joilla oli erinomainen fotokatalyyttinen aktiivisuus. Optimoidut pinnoitteet saavuttivat lähes täydellisen UV-säteilyn eston ja tehokkaan itsepuhdistuvuuden: metyleenisinisen hajoaminen oli 73 % yhden tunnin ja 90 % vuorokauden auringonvalolle altistuksen jälkeen. Kahvitahroista poistui tunnissa 32 % ja 24 tunnissa 82 %.

Viimeinen osa esittelee kriittisen katsauksen 130 vertaisarvioituun tutkimukseen valoon reagoivista ei-elektronisista tekstiileistä paljastaen merkittäviä eroja laboratoriotestien ja todellisen soveltuvuuden välillä. Keskeinen ongelma oli, että näitä tekstiilejä testattiin usein voimakkailla, yhden aallonpituuden valonlähteillä, joita harvoin esiintyy tavallisissa sisä- tai ulkotiloissa. Tämän seurauksena näiden monet ehdotetut sovellukset ovat edelleen vahvistamattomia niiden aioituissa ympäristöissä, ja tällaisiin ideaalisiin olosuhteisiin perustuvat väitteet hyödyistä olivat usein liian optimistisia. Jotkin terveyteen liittyvät sovellukset, kuten UV-säteilyn valvonta ja itsedesinfioituvat kankaat vaikuttavat lupaavilta. Useimmissa tapauksissa tarvitaan kuitenkin lisätutkimusta arvioimaan käytettävyyttä todellisissa valaistusolosuhteissa, sekä elinkaaritutkimusta kestävyysväitteiden vahvistamiseksi.