基于涂層整理技術的導電紡織材料研發現狀

王冰心，楊 琳，王 禎，田明偉

(1.濰坊佳誠數碼材料有限公司，山東 濰坊 262400；2.山東省紡織科學研究院，山東 青島 266032；3.山東省特種紡織品加工技術重點實驗室，山東 青島 266032；4.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院/中華人民共和國應急管理部化學品登記中心，山東 青島 266000；5.青島大學，山東 青島 266071)

智能紡織品是指將微電子、信息、計算機等技術融合到紡織品中開發出的新型紡織品，因其在健康監測、疾病預防、娛樂休閑、體育健身、能源轉化與存儲以及實現人機交互方面具有較強的應用潛力和市場前景，受到廣泛關注。導電紡織材料是智能紡織品的基礎材料之一，具有柔性、可編織、可穿戴、適應性好，可與現有紡織工業體系無縫對接等優點，主要有導電涂層、導電材料紡絲、導電材料編織、化學鍍、磁控濺射、真空鍍等方法，其中導電涂層工藝因操作簡單、工藝流程短、能耗低等優點，被廣泛用于柔性傳感器、動作捕捉設備、心電信號監測設備中，如可穿戴柔性化纖維基傳感元件，可實現電和信號的傳遞[1，2]。

導電涂層工藝主要分為浸漬涂層、涂覆涂層、噴涂涂層等，其中浸漬涂層通過將紡織材料浸入導電漿料實現，制得的成品整體導電，導電性能較好；涂覆涂層是將導電材料通過涂覆在紡織材料表面，制得的成品表面導電；噴涂涂層是采用空氣噴涂或靜電噴涂等方式，將導電材料噴涂在紡織材料表面，制得的成品表面導電，可根據產品用途選擇制備工藝。

我國在智能纖維及智能紡織品產業上起步較晚，研發與應用方面與發達國家存在一定差距，積極研發導電紡織材料，加強電子技術、信息技術與紡織技術的結合，發展智能紡織產品，促進其逐步融入人們的生活，對于我國紡織強國建設具有重要意義。

1 浸漬整理導電紡織材料

1.1 浸漬-原位聚合法

浸漬-原位聚合法可將導電高分子整理在紡織材料上，如聚吡咯具有近似金屬的導電性、高分子材料的易加工性、質輕、韌性好、電導率可調控等優點[3]，可賦予紡織品較好的導電性能。鄒梨花等人[4]以棉織物作為基材，采用原位聚合涂層浸漬-烘干的方法，制備了聚吡咯/碳納米管涂層棉織物，并探究了碳納米管質量體積濃度、吡咯摩爾濃度及浸漬次數對棉織物電磁屏蔽性能的影響，發現在一定范圍內，試樣導電性能隨著碳納米管質量體積濃度增大而增強，電磁屏蔽性能隨著吡咯摩爾濃度增加而提高，浸漬次數從1次增加至2次時，電磁屏蔽效能提高了11.65 dB，初步探究了屏蔽效能最佳的制備工藝參數，證明了其主要屏蔽機理為吸波。何青青等人[5]使用NaOH/尿素對棉針織物進行表面改性，通過原位聚合法將聚吡咯沉積于改性棉針織物的表面制備導電織物，并對比了織物在空氣和水中的導電穩定性，發現以5-磺基水楊酸鈉作為摻雜劑的導電效果稍好于對甲基苯磺酸和葸醌-2-磺酸鈉鹽，采用0.015 mol/L的5-磺基水楊酸鈉作為摻雜劑，當吡咯濃度為0.3 mol/L，氯化鐵濃度為0.4 mol/L，在0℃下聚合反應4 h時，聚吡咯涂層后棉織物的表面方阻可降為1.4 Ω/□，而且其在空氣中的導電穩定性較好。于佳等人[6]以羊毛為基材，采用等離子體氣相沉積、原位聚合和磁控濺射相結合的方法制備了銅/聚吡咯/羊毛復合織物，發現等離子體處理1200 s時制備的銅/聚吡咯涂層毛織物具有良好的導電性和力學性能，平均方阻為67.32 Ω/□，采用等離子體處理的聚吡咯/羊毛織物水洗后的方阻值均小于未處理，耐水洗性能好。

1.2 浸漬-負載法

浸漬-負載法流程短、工藝簡單，常用于將化學性質穩定的導電材料整理在紡織品上，如炭系導電材料具有較低的電阻率，能夠賦予材料一定的導電性能，多數價格低廉、易得，具有規模化生產導電紡織材料潛力，研究較多。李蘭倩[7]將棉織物浸漬在氫氧化鈉/尿素的炭黑分散液中，烘干后放入硫酸/硫酸鈉水溶液中處理，得到了炭黑/棉復合織物，發現炭黑/棉復合織物制備過程中無化學反應，與原棉織物相比，熱失重曲線、緯向拉伸強力相近，經向拉伸強力有所降低，復合織物的電阻率隨著處理次數的增加而降低，當處理次數為15次時，電阻率為0.705 kΩ·cm，且具有較好的耐洗性。周子瀅等人[8]采用三浸三軋-烘干的方式制備了碳納米管分散液涂層雙羅紋織物，通過研究碳納米管涂層對雙羅紋織物電磁屏蔽性能的影響發現，雙羅紋織物的電磁屏蔽性能隨碳納米管分散液質量分數的提高而增強，7%時碳納米管涂層雙羅紋織物的電磁屏蔽效果最好，電阻率為0.052 kΩ·cm，噴涂5%的聚氨酯，可提高其電磁屏蔽性能和耐水洗性。李澤釗等人[9]采用化學還原法制備了還原氧化石墨烯-尼龍織物，發現尼龍織物表面負載的還原氧化石墨烯隨浸漬-還原次數的增加而增多，導電性逐漸提升，織物具有較好的拉伸彈性，且電阻隨著拉伸長度的增長而變大，因此，還原氧化石墨烯-尼龍織物能有效捕捉并識別人體部位的動作，但耐用性不高是亟需解決的問題。

2 涂覆整理導電紡織材料

2.1 纖維涂覆法

纖維表面涂覆導電功能材料制成導電纖維在應力傳感器、柔性導線、電熱材料等方面廣泛應用。宋非等人[10]利用靜電層層自組裝的方法，將氧化石墨烯和殼聚糖分散的多壁碳納米管交替涂覆于44 dtex的氨綸表面，后用水合肼還氧化石墨烯，從而制備了導電氨綸，研究發現當殼聚糖與多壁碳納米管的質量比為15:1時，多壁碳納米管的分散效果最好，當氧化石墨烯和殼聚糖/多壁碳納米管分散液交替涂覆6次時，氨綸導電性能較好，其電阻率為0.18 MΩ·cm，且具有良好的應力傳感性能，其應變為10%時的應變系數為110，此外還具有良好的耐水洗性。孫凱凱等人[11]將石墨烯與水溶性聚氨酯共混制備了功能性涂層漿料，并通過浸漬涂層技術將其涂覆于錦綸長絲表面，得到了改性錦綸長絲，發現石墨烯涂層能有效減緩錦綸長絲的老化，紫外燈模擬輻照100 h后，4%石墨烯改性錦綸長絲強力損失率低于50%，而常規產品強力損失率高于85%，改性錦綸長絲電導率在1×10-4S/m以上。

2.2 織物涂覆法

織物涂覆整理指在織物表面形成導電涂層，與浸漬整理相比，側重于織物表面改性，具有節約材料、對基材性能影響較小等優點。杜曉誼等人[12]采用研磨分散法制備了導電炭黑，并將其與黏合劑、增稠劑配制了涂層漿，研究了導電炭黑用量、粒徑、涂層次數、黏合劑用量、焙烘時間及溫度對導電滌綸涂層織物性能的影響，發現當分散體系中導電炭黑的質量分數為15%且粒徑為200 nm時，涂層織物的表面電阻達到了最小值，當焙烘溫度150 ℃、時間3 min時且黏合劑在導電炭黑分散體中的質量分數為40%時，涂層織物的力學性能、耐摩擦牢度、耐水洗牢度較好。葛方青等人[13]以石墨烯漿料為原料制備了石墨烯涂料并用于棉織物涂層，研究了石墨烯涂料的粒徑、黏度、附著力和織物導電性，發現石墨烯涂料平均粒徑為327.3 nm，分散系數為0.797，粒徑較小、分布均勻、分散程度較好，當石墨烯質量分數為 0.5%～0.8%時，涂料附著力較好，涂料黏度與石墨烯質量分數正相關，當石墨烯涂層次數為 6且其量分數為0.8%時，涂層織物電阻率為 46.8 Ω·cm，導電性能較好，同時具有一定的耐水洗性。

3 噴涂整理導電織物

3.1 空氣噴涂法

空氣噴涂是借助壓縮空氣氣流將導電功能漿液霧化成霧狀，噴射于紡織材料表面的一種改性方法，具有設備簡單、易操作、涂膜質量好等優點。龔芬[14]采用噴涂-干燥法使含5 wt% DMSO的PEDOT/PSS溶液逐層沉積到經等離子體處理過的聚酯織物表面，制備了PEDOT/PSS/PET導電織物，發現隨著涂層數由2層升至8層，表面電阻由76.50 Ω/□降至12.10 Ω/□，涂層織物熱解溫度為350℃，具有較好的熱穩定性，且具有快速、有效的充放電能力，顯示出優良的電容性能和電化學穩定性，涂層織物均比等離子體處理織物具有更高的斷裂強力，且其耐摩擦牢度和耐水洗牢度良好。王琦偉[15]將PANI納米線分散液和MXene納米片分散液交替噴涂在織物上，形成PANI-MXene導電涂層，發現在直徑6 cm的圓片織物，噴涂分散液總質量為50 mg且MXeng與PANI的質量比為1∶1時，制得的電磁屏蔽織物可滿足商用要求，同時織物的電導率會隨酸堿氣氛的變化快速變化，可靈敏地檢測酸堿氣氛，還能根據需要實現織物電磁屏蔽性能的切換。

3.2 靜電噴涂法

靜電噴涂是通過在涂料顆粒上施加高壓靜電荷，被涂裝的基材上接地良好來實現，具有霧化充分、涂料利用率髙、漆霧飛散少等優點。郝云娜等人[16]采用電噴涂方式制備了一種三明治結構的耐磨電熱復合織物，其結構按照水溶性聚氨酯-石墨烯/水溶性聚氨酯-水溶性聚氨酯的順序排列，發現使用電噴涂可將石墨烯納米片層接枝到棉織物表面，復合織物在 10 V 電壓下，25 s即可從21.7℃升溫到 45.3℃，功率密度達 2000 W/m2，且三明治結構可有效增強織物的耐磨性。王悅[17]選用相對密度大、孔隙小、最佳煅燒溫度為500℃的140 g/m2碳纖維織物，采用靜電噴涂聚多巴胺包覆的碳納米管的方式對其進行表面修飾改性，再在500℃進行煅燒，作為隔層使用。噴涂碳管后，碳纖維表面含氧量增大，表面缺陷以及無序程度增大，電導率有所提升，達130.13 S/cm，其電池界面阻抗也有所降低。

4 結語

導電紡織材料作為智能紡織品的核心材料之一，有收集信號、傳遞信號、反饋信號等作用，可廣泛應用于織物傳感器、織物電極、織物導線等領域。涂層整理技術可賦予紡織材料導電、智能調溫、防水透氣等功能，其中基于導電功能的涂層整理技術包括浸漬-原位聚合法、浸漬-負載法、纖維涂覆、織物涂覆、空氣噴涂、靜電噴涂等，可根據材料基材特性及使用目的針對性地選擇使用。隨著智能紡織地快速發展，操作簡單、流程短、環保性強的涂層整理技術將為導電紡織材料的規模化生產提供有效實現途徑，進而提升我國在智能紡織品領域的國際影響力。