絲素蛋白改性PBT纖維的導(dǎo)電處理研究

吳 楠 吳惠英 劉澤華 薛紅茹 周 燕

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州，215009）

智能紡織最早是在1979年被提出，最早被開(kāi)發(fā)出來(lái)的是日本研發(fā)的可進(jìn)行形狀記憶的蠶絲［1］，但這一概念直到20世紀(jì)90年代后期才被更多人接受。目前，該項(xiàng)研究已經(jīng)是將紡織、醫(yī)學(xué)、電子等多學(xué)科緊密結(jié)合的新學(xué)科，它充分將紡織新材料、紡織技術(shù)與傳感、通訊等技術(shù)結(jié)合來(lái)開(kāi)發(fā)功能產(chǎn)品［2］。以紡織品為基材進(jìn)行柔性傳感器的研制在一定程度上已取得了部分應(yīng)用，而導(dǎo)電纖維是開(kāi)發(fā)具有導(dǎo)電功能智能紡織品的重要原料，目前導(dǎo)電纖維有金屬系、碳系、金屬化合物和導(dǎo)電高分子材料［3］，能夠?qū)㈦娦盘?hào)進(jìn)行有效探測(cè)及傳輸。采用導(dǎo)電纖維制備傳感器材料可以獲得柔韌、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，成為開(kāi)發(fā)信息傳感等智能紡織品的首選材料。

聚吡咯是導(dǎo)電高分子材料中的一種，將其應(yīng)用到導(dǎo)電纖維的制備上工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。本研究以絲素蛋白改性PBT纖維（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SF/PBT復(fù)合纖維）為基材，利用FeCl3作為氧化劑、吡咯為導(dǎo)電材料，制備SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維，分析氧化劑濃度對(duì)SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維表面形態(tài)、導(dǎo)電性以及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用SF/PBT復(fù)合纖維規(guī)格為265 dtex/36 F（自制）。SF/PBT復(fù)合纖維的生產(chǎn)工藝是在PBT纖維紡絲過(guò)程中加入了絲素蛋白納米顆粒制備形成。試劑：氯化鐵（FeCl3，無(wú)錫市標(biāo)普化學(xué)試劑有限公司）；吡咯單體（Py，無(wú)錫市亞琴聯(lián)合化工有限公司）。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試儀器

Hitachi S?570型掃描電子顯微鏡（日本Hita?chi公司）；Instron3365型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)Instron公司）；ZC?90G型高絕緣電阻測(cè)試儀（上海強(qiáng)佳電氣有限公司）。

1.3 SF/PBT復(fù)合纖維的導(dǎo)電化處理

1.3.1 FeCl3溶液的制備

以FeCl3為氧化劑，將不同質(zhì)量的FeCl3分別溶于定量的去離子水中，制備0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L的FeCl3溶液。

1.3.2 SF/PBT復(fù)合纖維的導(dǎo)電化處理

純聚吡咯（PPy）導(dǎo)電性并不是很好，但可以通過(guò)摻雜的方式改善其導(dǎo)電性。試驗(yàn)中FeCl3起著氧化劑和摻雜劑的雙重作用。在SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維制備過(guò)程中，F(xiàn)eCl3是一種金屬鹽摻雜劑，在合成過(guò)程中進(jìn)入到聚合物材料中，同時(shí)給PPy提供氧化環(huán)境，對(duì)導(dǎo)電性的提高有促進(jìn)作用。

SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維的制備：將SF/PBT復(fù)合纖維放置在配置好的FeCl3溶液中浸泡60 min，取出晾干；將處理后的纖維固定在培養(yǎng)皿上，將1 mL的Py溶液（單體）倒入培養(yǎng)皿中均勻平鋪，保證培養(yǎng)皿上端固定的纖維能夠充分接受到Py的作用，將培養(yǎng)皿放置-5℃環(huán)境下充分反應(yīng)24 h，取出樣品用去離子水清洗，得到SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維，制備過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 基于PPy復(fù)合導(dǎo)電纖維的形成示意圖

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 表面形態(tài)測(cè)試

利用Hitachi S?570型掃描電子顯微鏡對(duì)導(dǎo)電處理前后的SF/PBT復(fù)合纖維測(cè)試觀察，測(cè)試前將纖維進(jìn)行噴金處理，厚度約20 nm～30 nm。

1.4.2 增重率測(cè)試

測(cè)試導(dǎo)電處理前后SF/PBT復(fù)合纖維質(zhì)量，并按照式（1）計(jì)算纖維的增重率。

式中：η為增重率（%），M2為導(dǎo)電處理后纖維重量（g），M1為導(dǎo)電處理前纖維重量（g）。

1.4.3 電導(dǎo)率測(cè)試

利用ZC?90G型高絕緣電阻測(cè)試儀對(duì)SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維進(jìn)行電阻測(cè)試，電阻量程為0Ω～2×1017Ω，纖維有效測(cè)量長(zhǎng)度2 cm，纖維電導(dǎo)率計(jì)算見(jiàn)式（2）。

式中：σ為電導(dǎo)率（S/cm），L為纖維長(zhǎng)度（cm），R為纖維電阻（Ω），S為纖維截面積（cm2）。

1.4.4 力學(xué)測(cè)試

利用Instron3365型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)纖維的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試距離250 mm，拉伸速率250 mm/min，初始張力0.2 cN。

2 結(jié)果與分析

2.1 FeCl3濃度對(duì)纖維表面形貌的影響

圖2是經(jīng)過(guò)不同濃度FeCl3溶液處理后的纖維表面形貌。

圖2 不同濃度FeCl3處理后纖維的表面形貌

由圖2可以看出，未處理的纖維表面在局部有凹凸顆粒，這主要是由于絲素蛋白顆粒的加入引起的。經(jīng)過(guò)導(dǎo)電處理后，隨著FeCl3溶液濃度的增加，纖維表面形成的導(dǎo)電材料增多。當(dāng)FeCl3濃度為0.2 mol/L和0.4 mol/L時(shí)，導(dǎo)電材料PPy已經(jīng)生成，但只是散落在纖維表面的局部，形成的PPy主要是顆粒狀的結(jié)構(gòu)［4］；當(dāng)FeCl3濃度增至0.6 mol/L，出現(xiàn)了微孔結(jié)構(gòu)的PPy；當(dāng)FeCl3濃度達(dá)到0.8 mol/L時(shí)，在纖維的表面能夠看到相對(duì)均勻的結(jié)構(gòu)，幾乎覆蓋了材料的表面，PPy基本完全覆蓋到纖維表面；當(dāng)FeCl3溶液濃度為1.0 mol/L時(shí)，在纖維的一些位置還可以看到聚集狀的類(lèi)似“菜花”一樣的微孔結(jié)構(gòu)［5］。

2.2 SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維的增重率和電導(dǎo)率

SF/PBT復(fù)合纖維導(dǎo)電處理前后的增重率和電導(dǎo)率見(jiàn)表1。SF/PBT復(fù)合纖維經(jīng)過(guò)FeCl3溶液處理后，F(xiàn)eCl3溶液會(huì)進(jìn)入到纖維的內(nèi)部，SF/PBT復(fù)合纖維的增重率隨著FeCl3溶液濃度的增加而增加。溶液中FeCl3越多，能夠有效提高FeCl3進(jìn)入到纖維內(nèi)部，在纖維進(jìn)行后續(xù)的Py處理時(shí)，有利于纖維吸附Py，增加FeCl3與Py的接觸，提高了單體的轉(zhuǎn)化率［6］。因此，相應(yīng)的SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維的電導(dǎo)率也越大，當(dāng)FeCl3溶液濃度為0.2 mol/L時(shí)，電導(dǎo)率為7.53×10-5S/cm，當(dāng)FeCl3溶液濃度增加到1.0 mol/L時(shí)，電導(dǎo)率增加到7.38×10-2S/cm，隨著形成的PPy增加，在纖維的表面形成了連續(xù)的導(dǎo)電通道，利于載流子通行［7］，紗線電導(dǎo)率開(kāi)始急劇增加，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維的電導(dǎo)率隨著FeCl3溶液濃度的增加而增加。

表1 FeCl3濃度對(duì)纖維增重率和電導(dǎo)率的影響

2.3 SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維的力學(xué)性能

SF/PBT復(fù)合纖維經(jīng)導(dǎo)電處理前后的力學(xué)性能變化見(jiàn)表2。

表2 FeCl3濃度對(duì)復(fù)合導(dǎo)電纖維力學(xué)性能的影響

纖維在導(dǎo)電處理過(guò)程中，受到氧化劑的作用，在一定情況下會(huì)影響纖維的強(qiáng)力，隨著導(dǎo)電材料PPy的逐步生成，PPy會(huì)聚集在纖維表面，對(duì)纖維的力學(xué)性能又起到了一定的改善作用。與未處理的SF/PBT復(fù)合纖維相比，經(jīng)過(guò)不同濃度的FeCl3溶液處理后，纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率有小幅度的降低，但總體下降不明顯，說(shuō)明本試驗(yàn)中的導(dǎo)電處理過(guò)程對(duì)纖維力學(xué)性能不會(huì)造成過(guò)大影響。FeCl3溶液濃度在0.2 mol/L時(shí)，斷裂強(qiáng)度為34.18 cN/tex，斷裂伸長(zhǎng)率為14.19%，當(dāng)濃度增加到1.0 mol/L時(shí)，斷裂強(qiáng)度為32.34 cN/tex，斷裂伸長(zhǎng)率為12.04%。

3 結(jié)論

本研究提出了一種以FeCl3為氧化劑和摻雜劑、Py為導(dǎo)電材料，制備SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維的方法，研究了不同F(xiàn)eCl3溶液濃度對(duì)復(fù)合導(dǎo)電纖維的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：纖維表面生成的PPy隨著FeCl3濃度的增加而增多，纖維的增重率、電導(dǎo)率隨著FeCl3濃度的增加而增加，當(dāng)FeCl3溶液濃度為1.0 mol/L時(shí)，纖維增重率為11.5%，電導(dǎo)率為7.38×10-2S/cm，通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，導(dǎo)電處理不會(huì)對(duì)纖維的力學(xué)性能造成較大影響。