基于吡咯聚合物的導電棉織物

J. A. Alase， S. M. Landage

DKTE協會紡織與工程研究所(印度)

隨著電子工業，尤其是電子技術的飛速發展，導電聚合物、導電纖維、導電紗線、涂料與印刷油墨等柔性導電及半導體材料受到廣泛的關注。導電紡織材料為交互式紡織品的開發提供了更多可能性，它們通常可用于通信、娛樂、醫療、安保、國土安全、計算、熱防護、可穿戴電子產品及服裝等領域。紡織材料因其諸多優良特性而被用作導電材料。常見的用于開發導電材料的纖維有棉、丙烯酸纖維、羊毛、蠶絲、聚酯(PE)、聚酰胺6(PA 6)等。導電聚合物能以涂層或填充材料的形式應用于紡織品。基于聚吡咯(PPy)或聚苯胺的導電紡織材料，其表面電阻達10～1 000 Ω。

1 試驗方法

本文以棉織物為基底，將導電PPy單體與氧化劑FeCl3進行原位聚合，制備基于PPy的導電棉織物試樣。通過數字萬用表測試所得試樣的電導率、電阻以及其他相關特性指標，同時采用LED方法進行定性說明。此外，測試了原位聚合反應對導電棉織物撕裂強度、厚度、增重率及透氣率等物理性能的影響。

2 結果與討論

對基于PPy的導電棉織物試樣進行導電性能和物理性能測試。

2.1 聚合反應對棉織物電導率的影響

采用LED法對基于PPy的導電棉織物試樣的電導率進行主觀評價，并采用萬用表對試樣的電導率進行定量測量。

2.1.1 LED法

當PPy單體與氧化劑的濃度比為1.0∶1.1時，即采用濃度為0.20 mol/L的PPy單體與濃度為0.05 mol/L的氧化劑在棉織物上原位聚合后，測試所得織物試樣的導電性能，發現LED燈不亮。但對于其他原位聚合反應后的織物試樣，因采用了較高濃度的PPy單體和氧化劑處理，LED燈發亮。暗淡不亮的LED燈顯示是因為復合棉織物試樣上沒有形成足夠且連續的沉積導電膜所致。

2.1.2 萬用表法

采用數字萬用表測量PPy復合棉織物試樣的實際電導率。測試用織物試樣長105 cm，試樣的電阻以Ω計。通過測得的電阻值，計算試樣的電導率。

使用數字萬用表惠斯通電橋和檢流計，可得到定量的測試結果。本文用于原位聚合的PPy單體的濃度分別為0.2、 0.4和0.6 mol/L。將PPy單體和氧化劑的濃度比分別設置為1.0∶1.1和1.0∶1.5，記錄經不同濃度PPy單體與氧化劑處理的復合導電棉織物試樣的電阻率并計算電導率。

2.2 PPy單體與氧化劑濃度對復合試樣電導率的影響

當PPy單體濃度較低時，其在棉織物上沉積并形成的一層較薄的涂層，不能產生導電性，這可能是織物表面的涂層不連續導致的。隨著PPy單體濃度的增加，PPy在棉織物表面沉積的厚度增加。然而，通過增加涂層厚度來改善復合導電棉織物試樣的電導率存在一定的局限性。試驗發現，當PPy單體濃度為0.4 mol/L及以上時，原位聚合后得到的PPy涂層棉織物試樣較厚且手感較僵硬。在現有試驗條件下，濃度為0.3 mol/L的PPy單體有助于制備表面相對平滑且基底柔韌靈活的復合導電棉織物。

當PPy單體和氧化劑的濃度比為1.0∶1.1時，即使PPy的濃度高達0.6 mol/L，所得PPy復合導電棉織物試樣的電導率仍很低，為0.675 S/cm(圖1)。在相同的PPy單體濃度下，當PPy單體和氧化劑與濃度比為1.0∶1.5時，復合棉織物試樣的電導率明顯提升，為1.87 S/cm(圖2)。因此可知，氧化劑濃度是影響PPy復合導電棉織物試樣電導率的重要因素。可通過調整氧化劑濃度控制復合棉織物試樣的電導率。

圖1 不同聚合溫度及PPy單體濃度下復合導電棉織物試樣的電導率(PPy單體與氧化劑的濃度比為1.0∶1.1)

圖2 不同聚合溫度及PPy單體濃度下復合導電棉織物試樣的電導率(PPy單體與氧化劑的濃度比為1.0∶1.5)

2.3 聚合溫度對復合試樣電導率的影響

對不同聚合溫度(10、 20和30 ℃)下PPy與棉織物復合制備的導電棉織物試樣進行電阻率測試并計算電導率，結果如圖1和圖2所示。由圖1 和圖2可以看出，隨著聚合溫度的上升，PPy復合導電棉織物試樣的電導率下降。聚合溫度對電導率有影響是因為PPy單體的聚合是通過α-β和β-β鍵而非α-α鍵進行的，因而形成了較粗糙的試樣表面，進而導致復合試樣的電導率下降。相反，低溫條件下的原位聚合可改善PPy分子鏈及涂層棉織物中纖維的排列，從而可提高復合導電棉織物試樣的電導率。

聚合溫度的升高會導致PPy單體和聚合物、單體和單體之間的相互作用加劇，這增加了α-β和β-β鍵而不是α-α鍵聚合的機會。低溫下較高的導電性通常歸因于聚合物結構缺陷的減少，打破了π系統的非定域化。低溫聚合還可促進分子鏈在更強共軛及更少缺陷的條件下進一步增長，因此，PPy單體在織物表面的低溫聚合有利于形成更薄的涂層，產生更具黏附力的薄膜，以及高電導率下更穩定的PPy結構。因此，與較高的聚合溫度相比，聚合溫度為10 ℃時更有利于形成電導率較高的復合導電棉織物試樣。

2.4 PPy復合處理對織物厚度的影響

試驗表明，不同的PPy單體與氧化劑濃度比(1.0∶0.5， 1.0∶1.0)下，PPy在棉織物表面沉積的厚度不同。當PPy單體與氧化劑的濃度比為1.0∶0.5時，導電棉織物的厚度比兩者濃度比為1.0∶1.0時小，即PPy單體與氧化劑濃度比為1.0∶1.0時，可在棉織物表面沉積更多的PPy涂層。

2.5 PPy涂層對織物面密度的影響

PPy沉積在棉織物表面后，織物試樣的面密度增大。本文探討了不同PPy單體與氧化劑濃度比對復合導電棉織物試樣面密度的影響。結果表明，隨著PPy單體與氧化劑濃度比的增大，復合導電棉織物試樣的面密度增大。

2.6 耐摩擦牢度

導電織物應具有良好的質量以確保其優良的傳導性能和耐久性。織物試樣干態耐摩擦牢度的測試結果顯示，在單體與氧化劑濃度比較高的情況下，復合棉織物試樣的耐摩擦牢度較低，表明導電材料在織物表面的黏附力較弱。

3 結論

本文采用PPy原位聚合的方法制備PPy復合導電棉織物，并測試分析了復合棉織物試樣的物理特性和導電性能，得到下述結論。

——吡咯原位聚合的聚合條件(如PPy單體與氧化劑的濃度比、聚合溫度及聚合時間)影響PPy復合導電棉織物試樣的物理性能和導電性能。

——PPy單體與氧化劑濃度比為1.0∶1.0、 PPy單體濃度為0.6 mol/L、聚合溫度為10 ℃、聚合時間為4 h時，制備的復合棉織物的電導率最高，為1.87 S/cm。

——PPy復合導電棉織物試樣的厚度與面密度隨著PPy單體與氧化劑濃度比的增加而增大。

——織物耐摩擦牢度的測試結果顯示，導電材料在棉織物表面的黏附力較弱。