導電聚合物基紡織復合材料的應用

馬珮珮,王軍慶,朱樂樂,李保榮

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安710048)

近年來,隨著智能可穿戴的發展[1-2],基于紡織物的應變傳感器由于具有良好的透氣性和舒適柔軟性,可進行拉伸、壓縮和彎曲,更符合人體可穿戴等特點,受到了越來越多的關注[3]。為了實現紡織物基電子設備的智能化,對應變傳感器的靈敏度、長期穩定性及耐久性提出了相應的要求[4-6]。導電聚合物涂層紡織復合材料由于其靈活性、耐用性、易于制備和應用,在應變傳感器領域有著較為廣泛的應用[7]。

導電聚合物是一類新型的有機材料,一般是電子高度離域的共軛聚合物經過適當電子受體或供體進行摻雜后制得的,其融合了金屬和傳統聚合物的優點,表現出良好的電學性能,因而有著廣泛的應用[8-9]。導電聚合物的共同特征是共軛,即單鍵和雙鍵的交替,因此π共軛鏈的合成是導電聚合物科學技術的核心。在共軛體系中,電荷載流子是離域的,為電荷沿著聚合物鏈的主鏈遷移提供條件[10]。在導電聚合物中,聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩因其良好的環境穩定性和導電性、易于合成、生物相容性好、表面改性容易、比表面積大等優點而受到廣泛關注。導電聚合物可以通過熔融紡絲和濕法紡絲技術制造導電纖維。但由于高分子鏈之間的強作用,此方法不易操作。此外,通過紡織物與導電材料、導電聚合物的功能化也被認為是一種很有前途的方法。還可以通過與非導電聚合物和碳衍生物、金屬粒子或電活性聚合物混合,以形成導電特性[11]。文中分別綜述了聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等導電聚合物基紡織復合材料在應變傳感器的應用,并對未來發展進行了展望。

1 聚苯胺基紡織復合材料傳感器

聚苯胺作為一種合成簡單、熱穩定性好、可加工性好、在剛性或柔性表面上具有良好的附著力、導電率最高的低成本高分子化合物,受到越來越多的關注[12-14]。雖然聚苯胺通常與織物基材有著高黏附性,但由于涂層中存在非導電聚合物材料,導致材料具有相對較低的導電性,因此通常與其他導電填料復合制備性能更好的應變傳感器。Huang等[15]采用旋涂法將高導電聚苯胺(PANI)聚合物、石墨烯納米片(GNPs)和少量硅橡膠(SR)復合到彈性萊卡織物上,制成應變傳感器,證明了織物應變傳感器能夠檢測和監測人體手指的彎曲角度。通過PANI和GNPs的包覆結構,復合織物可承受40%的最大應變,并具有良好的拉伸和彎曲特性。織物應變傳感器的應變系數達到67.3,與沒有聚苯胺微粒的傳感器相比,有大約4倍的改進。Deoliveira等[16]以棉、滌綸針織物為基材,以鹽酸或磷酸摻雜聚苯胺為基材,研制柔性傳感器。通過原位反應在針織物上沉積聚苯胺、聚合合成和摻雜苯胺單體。采用石墨分散體制備傳感器電極,每種基底的制備方法不同。傳感器的主要評估是在氮氣(N2)下的濕度室中進行的,采用干燥和濕潤循環。根據摻雜劑和基質類型,感官設備對濕度的反應存在顯著差異。在所有測試中,傳感器對環境條件變化的響應非常好,對相對濕度的變化反應迅速,靈敏度高達34%。Maity等[17]用苯胺原位化學聚合法制備了聚苯胺(PANI)功能化多壁碳納米管(MWCNTs),并將其噴涂到織物上,制成可穿戴的傳感器,MWCNTs/PANI織物傳感器在較寬的彎曲范圍內(從90°到270°)基本電阻沒有明顯變化,顯示出良好的耐磨性。結果表明,PANI包覆的多壁碳納米管的傳感響應比多壁碳納米管和聚苯胺強,該傳感器具有靈敏度高、快速響應性優良和恢復時間快的優點。

2 聚吡咯基紡織復合材料傳感器

聚吡咯(PPy)具有導電性高、環境穩定性好、附著力好、無毒等優點,是智能紡織品中最重要的導電聚合物之一。它的特點是具有良好的導電性、直接聚合、生物相容性、環境穩定性和可通過改變摻雜程度來控制導電性。應變傳感器用聚吡咯涂層紡織品有著廣泛的應用前景[18-19]。Zhang[20]等制備PPy涂層的萊卡/錦綸混紡織物,并進行了反復拉伸試驗和環境穩定性試驗。結果表明,該導電織物靈敏度高,工作應變范圍大(W50%),穩定性好。在此基礎上,設計了可穿戴數據采集手套和康復訓練系統,并用研制的導電織物制作了原型。Li[21]等制備了聚吡咯涂層應變傳感器,并對其進行了測試,討論了包覆紗結構對傳感器的電力學性能的影響。低溫界面聚合是一種簡單、經濟、高效的方法,可以在兩相界面上以較低的反應速率制備均勻的PPy薄膜。Chen[22]等將PPy通過低溫界面聚合固定在由聚酯和氨綸編織的可拉伸織物上,以制備用于人體運動和呼吸測量的導電應變傳感器。涂有PPy的紡織品可用作電導體來點亮LED 燈。而且,該織物可以在180°的角度和500 倍的彎曲加捻循環中耐受折疊。這些傳感器被安裝在志愿者的身體或衣服上,用于實時測量人體的運動和呼吸。這項研究可以提供一種在紡織品上均勻、致密地涂覆導電聚合物的方法,以用于高度敏感和可拉伸的傳感器,在實際應用中具有巨大潛力,可用于實時監測人體運動和生理信號。

3 聚噻吩基紡織復合材料傳感器

在眾多的導電聚合物中,聚噻吩作為一種聚合物材料,具有非常小的尺寸和較寬的導電范圍,可以從絕緣到金屬范圍控制導電性。在摻雜后表現出高導電性和良好的熱穩定性[23-25]。與其他導電聚合物一樣,聚噻吩具有剛性的共軛芳香主鏈結構,使其不溶于大多數有機和無機溶劑[26]。Jerkovic等[27]等制備了一種基于導電聚合物復合物聚(3,4-亞乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸鹽)的新型紡織纖維傳感器。通過對該聚合物復合物滲透閾值的初步研究,確定了紗線處理用導電涂料。通過對導電干膜的電學特性分析,確定了滲透閾值,以期開發出高靈敏度的傳感器。設計并制造了一種新型的紗線涂層實驗室設備,以確保導電聚合物涂層的有效性和均勻性,而不會影響織物性能。紡織纖維傳感器的電力學性能證實了其適用于紡織增強熱塑性復合材料結構損傷的實時檢測。

4 結語

為了滿足體育和醫療等領域的新機遇,柔性智能紡織品的需求日益增加。導電聚合物基紡織應變傳感器具有良好的傳感特性、靈活性,在實時健康監測、人體運動等領域具有廣闊的應用前景。導電聚合物溶液涂層紡織材料是將非導電紡織品轉化為導電結構的一種簡便方法。它不僅在抗靜電應用中引起了極大的興趣,而且在應變傳感器領域具有廣泛的應用。但仍存在一些問題,由于在涂層過程中存在非導電聚合物材料,導致具有相對較低的導電性。因此加強工藝、結構及材料等方面的突破與創新,實現批量化是未來導電聚合物基紡織材料的發展方向之一。