聚吡咯用于智能紡織品的研究進展

武志云，張紅艷，劉　炯，馬彩霞

(1內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特 010080；2內蒙古出入境檢驗檢疫局，內蒙古 呼和浩特 010020)

隨著社會科技的進步，智能紡織品已經逐漸成為大家熟悉的名詞。由于其能夠給人類生活提供舒適、安全和情趣，為勞動者提供更好的防護并提升工作效率，因此智能化將是未來紡織品的發展方向之一。聚吡咯作為一種性能良好的導電聚合物，成為電子智能紡織品中最有工業化應用前景的導電高分子材料之一，目前不少國內外專家及團隊的研究專注于此。歐美等一些發達國家在智能紡織品的研究方面已經處于領先地位，而我國起步較晚，但近些年來許多紡織科研工作者也付出了許多努力，相信這些都將進一步推進我國紡織行業的長足發展。

1　智能紡織品

1.1智能紡織品

所謂智能紡織品是基于仿生學概念，能夠模擬生命系統，并且具有對外界刺激感知和反應的能力，能夠實現自檢測、自診斷、自調節和自修復等多種特殊功能的一種高科技紡織產品。根據目前已有的研究成果，智能紡織品大致可以分為以下幾大類：電子信息智能紡織品、相變材料和智能調溫紡織品、變色紡織品、抗菌紡織品、形狀記憶紡織品等。電子智能紡織品是基于電子技術，將傳感、通訊、人工智能等高科技手段應用于紡織技術上而開發出的新型紡織品，它把電子組件及電子電路以紡織品的形態呈現，為人與紡織產品信息交互提供可能性，成為智能紡織品研究的一大熱點。

智能紡織品可以采用在不影響穿著舒適性和洗滌的情況下，將微型芯片與織物緊密結合，使穿戴式的電子智能服裝成為現實。并且隨著芯片的集成度越來越高，生物電子芯片的應用也會越來越受到關注。高聚物材料應用于紡織材料，可以使電子元器件更加柔韌、微型，從而使智能服裝更加柔軟、富有彈性且保持功能穩定性。

1.2智能紡織品的作用原理

智能紡織品的作用原理如圖1所示，當外界環境發生變化時，傳感器感知其變化，并將其信息進行處理，再將處理好的信息輸入驅動部分，最后對智能紡織品材料做及時的調整，以適應外界環境的變化，從而實現自檢測、自診斷、自調節和自修復等多種特殊功能。

圖1　智能紡織品的作用原理

1.3智能紡織品的研究進展

到目前為止智能紡織品的研發仍然處于探索階段，智能紡織品的實現一般有以下途徑：一是由經加工、后整理的普通紡織品，獲得智能性能；二是將特種纖維與普通纖維混紡，或將智能型材料植入織物中，賦予其智能特性；三是對原有的高聚物或者天然高分子進行改性處理，使紡織的纖維具有智能性能；四是織物或服裝嵌入相應的外加電子元件，制成智能型紡織品或智能服裝。

目前，通過加工、后整理普通紡織品，獲得智能性能的智能紡織品較為成熟的有抗紫外服裝，陶瓷涂層紡織品等。而將特種纖維或智能型材料植入到織物中比較成熟的技術主要有形狀記憶紡織品、防水透濕、蓄熱控溫紡織品以及電熱服等智能紡織品。對原有的高聚物或者高分子進行改性，制得的智能紡織品主要有蜘蛛衣，微膠囊相變材料等。電子元器件與紡織品的結合制得智能紡織品，目前成熟的多是利用微小的電腦芯片嵌入到紡織品中，實現智能化，而將電子元器件紡織化，則成為目前研究的熱點。

2　聚吡咯

聚吡咯導電性能良好，擁有良好的可加工性和柔韌性，成為應用于開發智能紡織材料電子元器件的最有潛力材料之一，目前其在電子智能紡織品開發領域的研究正逐步深入，國內外大量專家學者致力于此。

2.1聚吡咯的導電機理

高聚物能夠導電需要兩個必要條件：(1)分子鏈具有大共軛π鍵結構；(2)每個鏈的重復單元與加入材料中的對離子之間有一定程度的電荷轉移。聚吡咯是導電聚合物，其化學結構是吡咯環的2,5偶聯，它是一種半結晶的高分子，figure_title，因而兩個吡咯環構成一個重復單元，如圖2所示：

圖2聚吡咯的化學結構

聚吡咯中具有碳碳單鍵和碳碳雙鍵交替排列成的共軛結構，雙鍵是由σ電子和π電子構成(如圖3所示)，σ電子被固定住無法移動，在碳原子之間形成共價鍵，共軛雙鍵中的兩個π電子并沒有定域在某個碳原子上，它們可以從一個碳碳鍵轉位到另一個碳碳鍵上，即具有在整個分子鏈上延伸的傾向，也就是說分子內的π電子云的重疊產生了為整個分子共有的能帶，從這個意義上講，π電子類似于金屬導體中的自由電子。當加上電場時，組成π鍵的電子可以快速地沿著分子鏈移動而表現出良好的導電性。

圖3　聚吡咯的共軛大π鍵和σ結構

2.2聚吡咯應用于智能紡織品研究現狀

聚吡咯優良的導電性，以及其作為高聚物的良好的可加工性和柔韌性，使其具有巨大的商業應用價值潛力，尤其成為開發電子智能紡織品的較好選擇。目前我國有很多專家都致力于將聚吡咯應用于智能紡織品的電子元器件，以錢人元教授為首的研究集團，在聚吡咯的合成和性能方面已經取得了國內外很有影響的成果。上海東華大學的莊勤亮教授也帶領研究團隊致力于聚吡咯導電織物的制備及性能研究。

聚吡咯應用于智能紡織品，多用于制備織物傳感器等電子元器件，其制備條件的易實現化，制得產品的柔韌性、耐久性、電學性能保持性以及保持條件的常規化都成為制約聚吡咯材料應用于智能紡織品的因素。目前研究的重點多在聚吡咯導電材料與紡織材料的結合，制備出具有導電性能的導電織物，其基布的選擇以及制備條件的常溫化、真空程度的控制、時間控制等成為實驗的重點，并且在制得的導電織物的電學性能的保持時間方面也成為大家研究的難點。上海東華大學的莊勤亮教授帶領的團隊在對不同紡織基布的聚吡咯導電織物制備方面取得了一系列有效的探索，利用低溫氣相沉積法制備聚吡咯導電織物的實驗室條件，為進一步研究聚吡咯導電織物制備積累了實驗數據。

3　聚吡咯應用于智能紡織品發展前景

紡織材料的研究正向著高性能、高技術含量、高附加值的方形發展。不僅要追究服裝服飾的舒適性、改善人們生活質量和勞動條件，還延伸到醫療、建筑、消防和軍事等特種行業和特種場合的需要。聚吡咯應用于電子智能紡織品，其可行性已經得到國內外很多專家學者的認同，但是智能紡織品的開發不但需要從最初的纖維原料到最終的產品緊密配合，還需要更多學科領域的相互滲透、相互交叉、相互融合才能更有發展前途。紡織材料的研究開發已經進入一個新的時代，聚吡咯作為應用開發智能紡織材料電子元器件最有潛力材料之一，其用于智能紡織品的研究在未來發展中會占據越來越重要的地位。

參考文獻：

[1]施楣梧，肖紅．智能紡織品的現狀和發展趨勢[J]．高科技纖維與應用，2010，(4)：5—8．

[2]高潔，王香梅，李青山．功能纖維和智能材料[M]．北京：中國紡織出版社，2004．

[3]李小蘭．智能纖維與智能紡織品概述[J]．棉紡織技術，2009，37(6)：62—64．

[4]劉艷．紡織領域新秀——智能紡織品[J]．中國纖檢，2010，(4)：80—82．

[5]吳艷平，董衛國．電子智能紡織品的應用及發展趨勢[J]．山東紡織科技，2013，54(3)：38—41．

[6]冀德．美國研發出“電子紡織品”[J]．紡織裝飾科技，2011，(4)：25．

[7]丁長坤，程博聞，任元林，康衛民，張金樹．導電纖維的發展現狀及應用前景[J]．紡織科學研究，2006，(03)：14—17．

[8]Li，Y.，et al．A flexible strain sensor from polypyrrole-eoated fabrics[J]．Synthetic Metals，2005，(155)：89—94．

[9]王運利，劉奪魁，張瑩.智能紡織品及其在不同領域中的應用[J]．染整技術，2008,30(1)：10—14．

[10]鞏繼賢.智能服裝的現狀及展望[J]．現代紡織技術，2004,12(1)：47—48．

[11]STYLIOS G K.Editorial：SMART textiles special issue[J]．Transactions of the Institute of Measurement and control,2007,29(3—4)：213—214．

[12]楊楠．用于柔性電子材料的智能導電織物性能研究[D]．上海：東華大學，2012．

[13]I Mogi，K Watanabe，M Motokawa．Magneto-electro Polymerization of Conducting Polypyrrole[J]．Physical B，Condensed matter，1998，(246)：412—415．

[14]貝建中，錢人元.在水溶液中電化學反應制備大面積聚吡咯膜[J]．功能高分子學報，1991，4(4)：320—325．

[15]鄭奇標．柔性壓力感應導電織物的制備及感應性能研究[D]．上海：東華大學，2007．