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,最早被開發(fā)出來的是日本研發(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)合來開發(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娦盘栠M(jìn)行有效探測及傳輸。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,成為開發(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單,可操作性強(qiáng)。本研究以絲素蛋白改性PBT纖維(以下簡稱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。
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纖維紡絲過程中加入了絲素蛋白納米顆粒制備形成。試劑:氯化鐵(FeCl3,無錫市標(biāo)普化學(xué)試劑有限公司);吡咯單體(Py,無錫市亞琴聯(lián)合化工有限公司)。
Hitachi S?570型掃描電子顯微鏡(日本Hita?chi公司);Instron3365型萬能材料試驗機(jī)(美國Instron公司);ZC?90G型高絕緣電阻測試儀(上海強(qiáng)佳電氣有限公司)。
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,但可以通過摻雜的方式改善其導(dǎo)電性。試驗中FeCl3起著氧化劑和摻雜劑的雙重作用。在SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維制備過程中,F(xiàn)eCl3是一種金屬鹽摻雜劑,在合成過程中進(jìn)入到聚合物材料中,同時給PPy提供氧化環(huán)境,對導(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,制備過程見圖1。
圖1 基于PPy復(fù)合導(dǎo)電纖維的形成示意圖
1.4.1 表面形態(tài)測試
利用Hitachi S?570型掃描電子顯微鏡對導(dǎo)電處理前后的SF/PBT復(fù)合纖維測試觀察,測試前將纖維進(jìn)行噴金處理,厚度約20 nm~30 nm。
1.4.2 增重率測試
測試導(dǎo)電處理前后SF/PBT復(fù)合纖維質(zhì)量,并按照式(1)計算纖維的增重率。
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)率測試
利用ZC?90G型高絕緣電阻測試儀對SF/PBT復(fù)合導(dǎo)電纖維進(jìn)行電阻測試,電阻量程為0Ω~2×1017Ω,纖維有效測量長度2 cm,纖維電導(dǎo)率計算見式(2)。
式中:σ為電導(dǎo)率(S/cm),L為纖維長度(cm),R為纖維電阻(Ω),S為纖維截面積(cm2)。
1.4.4 力學(xué)測試
利用Instron3365型萬能材料試驗機(jī)對纖維的力學(xué)性能進(jìn)行測試,測試距離250 mm,拉伸速率250 mm/min,初始張力0.2 cN。
圖2是經(jīng)過不同濃度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,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,在纖維的表面能夠看到相對均勻的結(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,在纖維的一些位置還可以看到聚集狀的類似“菜花”一樣的微孔結(jié)構(gòu)[5]。
SF/PBT復(fù)合纖維導(dǎo)電處理前后的增重率和電導(dǎo)率見表1。SF/PBT復(fù)合纖維經(jīng)過FeCl3溶液處理后,F(xiàn)eCl3溶液會進(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,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,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,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)率開始急劇增加,試驗數(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濃度對纖維增重率和電導(dǎo)率的影響
SF/PBT復(fù)合纖維經(jīng)導(dǎo)電處理前后的力學(xué)性能變化見表2。
表2 FeCl3濃度對復(fù)合導(dǎo)電纖維力學(xué)性能的影響
纖維在導(dǎo)電處理過程中,受到氧化劑的作用,在一定情況下會影響纖維的強(qiáng)力,隨著導(dǎo)電材料PPy的逐步生成,PPy會聚集在纖維表面,對纖維的力學(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)過不同濃度的FeCl3溶液處理后,纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率有小幅度的降低,但總體下降不明顯,說明本試驗中的導(dǎo)電處理過程對纖維力學(xué)性能不會造成過大影響。FeCl3溶液濃度在0.2 mol/L時,斷裂強(qiáng)度為34.18 cN/tex,斷裂伸長率為14.19%,當(dāng)濃度增加到1.0 mol/L時,斷裂強(qiáng)度為32.34 cN/tex,斷裂伸長率為12.04%。
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溶液濃度對復(fù)合導(dǎo)電纖維的影響。試驗結(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,纖維增重率為11.5%,電導(dǎo)率為7.38×10-2S/cm,通過力學(xué)性能測試結(jié)果顯示,導(dǎo)電處理不會對纖維的力學(xué)性能造成較大影響。