基于吡咯聚合物的導(dǎo)電棉織物

J. A. Alase， S. M. Landage

DKTE協(xié)會紡織與工程研究所(印度)

隨著電子工業(yè)，尤其是電子技術(shù)的飛速發(fā)展，導(dǎo)電聚合物、導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電紗線、涂料與印刷油墨等柔性導(dǎo)電及半導(dǎo)體材料受到廣泛的關(guān)注。導(dǎo)電紡織材料為交互式紡織品的開發(fā)提供了更多可能性，它們通常可用于通信、娛樂、醫(yī)療、安保、國土安全、計(jì)算、熱防護(hù)、可穿戴電子產(chǎn)品及服裝等領(lǐng)域。紡織材料因其諸多優(yōu)良特性而被用作導(dǎo)電材料。常見的用于開發(fā)導(dǎo)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(dǎo)電聚合物能以涂層或填充材料的形式應(yīng)用于紡織品。基于聚吡咯(PPy)或聚苯胺的導(dǎo)電紡織材料，其表面電阻達(dá)10～1 000 Ω。

1 試驗(yàn)方法

本文以棉織物為基底，將導(dǎo)電PPy單體與氧化劑FeCl3進(jìn)行原位聚合，制備基于PPy的導(dǎo)電棉織物試樣。通過數(shù)字萬用表測試所得試樣的電導(dǎo)率、電阻以及其他相關(guān)特性指標(biāo)，同時(shí)采用LED方法進(jìn)行定性說明。此外，測試了原位聚合反應(yīng)對導(dǎo)電棉織物撕裂強(qiáng)度、厚度、增重率及透氣率等物理性能的影響。

2 結(jié)果與討論

對基于PPy的導(dǎo)電棉織物試樣進(jìn)行導(dǎo)電性能和物理性能測試。

2.1 聚合反應(yīng)對棉織物電導(dǎo)率的影響

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

2.1.1 LED法

當(dāng)PPy單體與氧化劑的濃度比為1.0∶1.1時(shí)，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(dǎo)電性能，發(fā)現(xiàn)LED燈不亮。但對于其他原位聚合反應(yīng)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(fā)亮。暗淡不亮的LED燈顯示是因?yàn)閺?fù)合棉織物試樣上沒有形成足夠且連續(xù)的沉積導(dǎo)電膜所致。

2.1.2 萬用表法

采用數(shù)字萬用表測量PPy復(fù)合棉織物試樣的實(shí)際電導(dǎo)率。測試用織物試樣長105 cm，試樣的電阻以Ω計(jì)。通過測得的電阻值，計(jì)算試樣的電導(dǎo)率。

使用數(shù)字萬用表惠斯通電橋和檢流計(jì)，可得到定量的測試結(jié)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(shè)置為1.0∶1.1和1.0∶1.5，記錄經(jīng)不同濃度PPy單體與氧化劑處理的復(fù)合導(dǎo)電棉織物試樣的電阻率并計(jì)算電導(dǎo)率。

2.2 PPy單體與氧化劑濃度對復(fù)合試樣電導(dǎo)率的影響

當(dāng)PPy單體濃度較低時(shí)，其在棉織物上沉積并形成的一層較薄的涂層，不能產(chǎn)生導(dǎo)電性，這可能是織物表面的涂層不連續(xù)導(dǎo)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(fù)合導(dǎo)電棉織物試樣的電導(dǎo)率存在一定的局限性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PPy單體濃度為0.4 mol/L及以上時(shí)，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(xiàn)有試驗(yàn)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(fù)合導(dǎo)電棉織物。

當(dāng)PPy單體和氧化劑的濃度比為1.0∶1.1時(shí)，即使PPy的濃度高達(dá)0.6 mol/L，所得PPy復(fù)合導(dǎo)電棉織物試樣的電導(dǎo)率仍很低，為0.675 S/cm(圖1)。在相同的PPy單體濃度下，當(dāng)PPy單體和氧化劑與濃度比為1.0∶1.5時(shí)，復(fù)合棉織物試樣的電導(dǎo)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(fù)合導(dǎo)電棉織物試樣電導(dǎo)率的重要因素。可通過調(diào)整氧化劑濃度控制復(fù)合棉織物試樣的電導(dǎo)率。

圖1 不同聚合溫度及PPy單體濃度下復(fù)合導(dǎo)電棉織物試樣的電導(dǎo)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(fù)合導(dǎo)電棉織物試樣的電導(dǎo)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(fù)合試樣電導(dǎo)率的影響

對不同聚合溫度(10、 20和30 ℃)下PPy與棉織物復(fù)合制備的導(dǎo)電棉織物試樣進(jìn)行電阻率測試并計(jì)算電導(dǎo)率，結(jié)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(fù)合導(dǎo)電棉織物試樣的電導(dǎo)率下降。聚合溫度對電導(dǎo)率有影響是因?yàn)镻Py單體的聚合是通過α-β和β-β鍵而非α-α鍵進(jìn)行的，因而形成了較粗糙的試樣表面，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合試樣的電導(dǎo)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(fù)合導(dǎo)電棉織物試樣的電導(dǎo)率。

聚合溫度的升高會導(dǎo)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(jī)會。低溫下較高的導(dǎo)電性通常歸因于聚合物結(jié)構(gòu)缺陷的減少，打破了π系統(tǒng)的非定域化。低溫聚合還可促進(jìn)分子鏈在更強(qiáng)共軛及更少缺陷的條件下進(jìn)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(chǎn)生更具黏附力的薄膜，以及高電導(dǎo)率下更穩(wěn)定的PPy結(jié)構(gòu)。因此，與較高的聚合溫度相比，聚合溫度為10 ℃時(shí)更有利于形成電導(dǎo)率較高的復(fù)合導(dǎo)電棉織物試樣。

2.4 PPy復(fù)合處理對織物厚度的影響

試驗(yàn)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(dāng)PPy單體與氧化劑的濃度比為1.0∶0.5時(shí)，導(dǎo)電棉織物的厚度比兩者濃度比為1.0∶1.0時(shí)小，即PPy單體與氧化劑濃度比為1.0∶1.0時(shí)，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(fù)合導(dǎo)電棉織物試樣面密度的影響。結(jié)果表明，隨著PPy單體與氧化劑濃度比的增大，復(fù)合導(dǎo)電棉織物試樣的面密度增大。

2.6 耐摩擦牢度

導(dǎo)電織物應(yīng)具有良好的質(zhì)量以確保其優(yōu)良的傳導(dǎo)性能和耐久性。織物試樣干態(tài)耐摩擦牢度的測試結(jié)果顯示，在單體與氧化劑濃度比較高的情況下，復(fù)合棉織物試樣的耐摩擦牢度較低，表明導(dǎo)電材料在織物表面的黏附力較弱。

3 結(jié)論

本文采用PPy原位聚合的方法制備PPy復(fù)合導(dǎo)電棉織物，并測試分析了復(fù)合棉織物試樣的物理特性和導(dǎo)電性能，得到下述結(jié)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(shí)間)影響PPy復(fù)合導(dǎo)電棉織物試樣的物理性能和導(dǎo)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(shí)間為4 h時(shí)，制備的復(fù)合棉織物的電導(dǎo)率最高，為1.87 S/cm。

——PPy復(fù)合導(dǎo)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(jié)果顯示，導(dǎo)電材料在棉織物表面的黏附力較弱。