黃書彥,夏慧寶,曹機良
(河南工程學院化工與印染工程學院,河南鄭州 450007)
隨著科技水平和生活水平的提高,普通的紡織品已經(jīng)不能滿足人們的日常需求,相應的智能紡織品應運而生[1]。因此,智能紡織品或?qū)⒊蔀槿藗內(nèi)粘I钪斜夭豢缮俚谋匦杵?,并且在眾多領域占據(jù)的地位也越來越重要[2]。智能紡織品的設計、開發(fā)給紡織行業(yè)的未來帶來希望和再創(chuàng)造的可能,前景一片光明[3],具有導電功能的導電紡織品是其中一個重要組成部分。當前,常見的導電介質(zhì)材料有金屬、導電聚合物[聚苯胺、聚吡咯、聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)等]、導電碳材料(石墨烯、碳納米管等)等[4-8],其中,聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)即PEDOT:PSS研究的歷史可以追溯20世紀80年代。因聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)(PEDOT)的水溶性很差,要提高水溶性,可將聚苯乙烯磺酸鈉鹽(PSS)摻雜到PEDOT混合溶液中,經(jīng)處理后就能得到水溶性高的PEDOT:PSS[9-11]。
本課題將PEDOT:PSS與黏合劑、增稠劑等制備成印花色漿,將PEDOT:PSS導電色漿印制于滌綸織物表面,探究其印制性能,以期為PEDOT:PSS印制法導電滌綸織物的制備提供一定的借鑒。
織物:滌綸,55.6 dtex×83.3 dtex,93 g/m2。試劑:聚(3,4-乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(分析純,上海源葉生物科技有限公司),合成增稠劑WZ-109(廣州市中萬新材料有限公司),涂料印花黏合劑Hansi PDM(江蘇漢諾斯化學品有限公司)。儀器:JJ-1電動攪拌器(金壇市華峰儀器有限公司),KQ-300B超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司),TG16臺式高速離心機(長沙英泰儀器有限公司),DZF-6020真空干燥箱(常州未來儀器制造有限公司),PC-GX定形烘干機(上海一派印染技術有限公司),QM-3SP04行星式球磨機(南京南大儀器有限公司),RC-MP2000磁棒印花機(上海燦孚機電有限公司),SW-12A耐洗色牢度試驗機(溫州方圓儀器有限公司),1604070摩擦色牢度儀(南通宏大實驗儀器有限公司),Quanta 250掃描電子顯微鏡(捷克FEI公司),ST2258C型多功能數(shù)字式四探針測試儀(蘇州晶格電子有限公司)。
1.2.1 PEDOT:PSS的研磨
用電子天平稱取20 g含固量為10%的PEDOT:PSS(使用前經(jīng)過濃縮)于球磨罐里,再量取25 mL蒸餾水倒入球磨罐中,把球磨罐蓋好,檢查密封性完好后,放入行星式球磨機中,研磨24 h待用。
1.2.2 PEDOT:PSS色漿的制備
取容積約50 mL的搪瓷缸,分別稱取PEDOT∶PSSx、黏合劑y、合成增稠劑z,再加適量水補充至色漿總質(zhì)量為20 g,不斷攪拌,直到得到黏稠狀的色漿。
1.2.3 印制導電滌綸織物
將制備的色漿用磁棒印花機印制于滌綸織物表面,然后立即將織物于80℃烘5 min,再在不同溫度和時間下進行焙烘。
1.3.1 表面電阻
采用四探針測試儀測試印制滌綸織物的表面電阻,每個試樣測試16次,取平均值并求標準偏差。
1.3.2 SEM
將樣品按照編號依次粘貼于樣品臺上,噴金后放于SEM樣品觀察室中并抽真空,然后根據(jù)實驗需求對試樣進行掃描。儀器測試加速電壓為1.5 kV。
1.3.3 耐洗性能
根據(jù)AATCC 135—2000將PEDOT:PSS印制滌綸織物進行洗滌后,測量其表面電阻。
1.3.4 耐摩擦性能
按照GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》測試,在對印制織物的摩擦完成后,將其烘干、平衡干燥,測量其表面電阻。
2.1.1 黏合劑用量
固定PEDOT:PSS 5.0 g/L,合成增稠劑0.3 g/L,黏合劑用量對PEDOT:PSS印制滌綸織物導電性能的影響如表1所示。由表1可以看出,不添加黏合劑,滌綸織物水洗后的表面電阻很大,超出了測試儀的量程;當黏合劑用量大于5.0 g/L后,織物的表面電阻越來越大;當黏合劑用量為15.0 g/L時,滌綸織物的表面電阻為27.43 MΩ/cm,表面電阻很大,導電性能差。因為黏合劑用量的增加使得導電織物的牢度提高,并逐漸達到穩(wěn)定,但用量過多,過量的黏合劑覆蓋在織物纖維表面形成薄膜,覆蓋了PEDOT:PSS導電層,使織物的表面電阻變大。為了提高織物的導電性,要控制好黏合劑的用量。當黏合劑用量為5.0 g/L時,滌綸織物表面電阻為0.21 MΩ/cm,且織物的耐洗性能較好。
表1 黏合劑用量對滌綸織物導電性能的影響
2.1.2 合成增稠劑用量
固定PEDOT:PSS 5.0 g/L,黏合劑5.0 g/L,合成增稠劑用量對PEDOT:PSS印制滌綸織物導電性能的影響如表2所示。由表2可以看出,在色漿配制不添加合成增稠劑時,滌綸織物的表面電阻比添加合成增稠劑時大,導電性能較差,因為色漿中合成增稠劑的作用是讓導電色漿具有一定的流變性,使有效的導電物質(zhì)PEDOT:PSS能很好地與織物纖維結合,從而提高織物的導電性能。當合成增稠劑用量為0.1~0.5 g/L時,滌綸織物的表面電阻隨著合成增稠劑用量的增加先減小后增大;當合成增稠劑用量為0.1、0.2 g/L時,導電色漿過稀,不易成糊狀,不利于印制或印制導電層的厚度較小,導電層的連續(xù)性較差;當合成增稠劑用量為0.5 g/L時,導電色漿過于黏稠,印制過程中大部分色漿都粘在磁棒上,使導電色漿難以印制到織物上,導電層的連續(xù)性和牢度變差。結合工藝和實際的具體要求綜合分析,當合成增稠劑用量為0.3 g/L時,導電色漿易成糊狀,印制后滌綸織物的表面電阻為0.21 MΩ/cm。
表2 合成增稠劑用量對滌綸織物導電性能的影響
2.1.3 PEDOT:PSS用量
固定合成增稠劑0.3 g/L,黏合劑5.0 g/L,PEDOT:PSS用量對印制滌綸織物導電性能的影響如表3所示。由表3可知,當PEDOT:PSS用量為1.0 g/L時,滌綸織物的表面電阻遠大于PEDOT:PSS用量為3.0、5.0、10.0、15.0 g/L時的表面電阻,這表明PEDOT:PSS用量對織物的導電性能起了決定性作用。滌綸織物的表面電阻隨著PEDOT:PSS用量的增加而減小,當用量增加到一定程度時,織物表面電阻的降低趨勢變緩。而且當PEDOT:PSS用量為10.0、15.0 g/L時,導電色漿的印制性變差,成本增加。結合實際生產(chǎn),選擇PEDOT:PSS 5.0 g/L,滌綸導電織物的表面電阻為0.21 MΩ/cm。
表3 PEDOT:PSS用量對滌綸織物導電性能的影響
2.1.4 焙烘溫度
固定PEDOT:PSS 5.0 g/L,合成增稠劑0.3 g/L,黏合劑5.0 g/L,焙烘時間4 min,焙烘溫度對PEDOT:PSS印制滌綸織物導電性能的影響如圖1所示。由圖1可知,隨著溫度的升高,滌綸織物的耐洗性能逐漸提高;但焙烘溫度達到150℃以后,水洗后導電滌綸織物的表面電阻最低,導電性最佳。這是因為焙烘溫度升高,黏合劑在纖維表面的成膜性越佳,黏合劑在纖維表面的成膜變得緊密、完整。成膜性越佳,一方面使得導電滌綸織物的耐洗性能提高,另一方面膜對導電色漿中PEDOT:PSS的裸露和連續(xù)性有一定的阻礙作用,故隨著焙烘溫度的升高,導電性下降,但耐洗性能提高。綜合考慮,最佳的焙烘溫度為150℃。
圖1 焙烘溫度對滌綸織物導電性能的影響
2.1.5 焙烘時間
固定PEDOT:PSS 5.0 g/L,合成增稠劑0.3 g/L,黏合劑5.0 g/L,焙烘溫度150℃,焙烘時間對PEDOT:PSS印制滌綸織物導電性能的影響如表4所示。由表4可以看出,隨著焙烘時間的延長,滌綸織物的表面電阻逐漸增大;在焙烘時間為4 min時,滌綸織物的表面電阻為0.21 MΩ/cm,有較好的耐洗性能。主要原因是焙烘時間太短,黏合劑難以在纖維表面成膜,導電色漿中的PEDOT:PSS不能很好地在黏合劑作用下與纖維結合固著,織物雖有導電性但耐洗性能不好。故最佳焙烘時間為4 min。
表4 焙烘時間對滌綸織物導電性能的影響
2.2.1 耐摩擦性能
PEDOT:PSS導電織物的摩擦性能如表5所示,滌綸織物的表面電阻在經(jīng)過干摩擦和濕摩擦處理后都有一定程度的增加,而且干摩擦處理后的表面電阻小于濕摩擦處理后的表面電阻。
表5 PEDOT:PSS導電滌綸織物摩擦前后的表面電阻
2.2.2 耐洗性能
由表6可以看出,隨著水洗次數(shù)的增加,滌綸織物的表面電阻逐漸增大;水洗30次后,滌綸織物的表面電阻比水洗前增大了104.8%。
表6 PEDOT:PSS導電滌綸織物的耐洗性能
主要原因是織物在經(jīng)過水洗后,黏合劑所成的膜一部分在水的沖擊下發(fā)生破裂,纖維表面一些粘附性不強的PEDOT:PSS容易脫落,導致織物的導電性能下降。
2.2.3 表面形貌
由圖2a可以看出,滌綸原布的表面有“凹槽”,說明該滌綸織物經(jīng)過了堿減量加工。由圖2b可以看出,導電色漿中不添加黏合劑時,滌綸織物纖維表面存在一層薄膜,因為PEDOT:PSS本身具有一定的成膜性;但由圖2c可以看出,水洗后滌綸織物表面的PEDOT:PSS存在明顯的裂痕,因為PEDOT:PSS較難穩(wěn)定地固著在滌綸織物表面,且PEDOT:PSS薄膜的機械強度較差,水洗后容易破裂。由圖2d可以看出,在導電色漿中加入一定量的黏合劑后,滌綸織物表面形成一層連續(xù)、均勻的薄膜。由圖2e可以看出,水洗后,黏合劑所成膜仍在織物表面,說明黏合劑分子與滌綸纖維大分子之間進行了充分的交聯(lián),生成的薄膜機械性能良好,PEDOT:PSS能與纖維穩(wěn)定結合,水洗后薄膜基本能保持原本的形貌,耐洗性能良好。
圖2 PEDOT:PSS導電滌綸織物的SEM(5 000倍)
(1)PEDOT:PSS導電滌綸織物的最佳制備工藝為:PEDOT:PSS 5.0 g/L,黏合劑5.0 g/L,合成增稠劑0.3 g/L,150℃焙烘4 min,滌綸織物的表面電阻降至0.21 MΩ/cm。
(2)導電滌綸織物的耐干摩擦牢度都要大于耐濕摩擦牢度,水洗30次后,滌綸織物的表面電阻比水洗前增大了104.8%。
(3)導電滌綸織物纖維表面已經(jīng)存在通過黏合劑膜與織物相結合的PEDOT:PSS。