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        絲素蛋白改性PBT纖維的導(dǎo)電處理研究

        2021-09-14 08:54:02吳惠英劉澤華薛紅茹
        棉紡織技術(shù) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:氧化劑導(dǎo)電電導(dǎo)率

        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(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?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)。

        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(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 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(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)率見表1。SF/PBT復(fù)合纖維經(jīng)過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,說明本試驗(yàn)中的導(dǎo)電處理過程對(duì)纖維力學(xué)性能不會(huì)造成過大影響。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。

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