基于吡咯聚合物的导电棉织物

J. A. Alase， S. M. Landage

DKTE协会纺织与工程研究所(印度)

随着电子工业，尤其是电子技术的飞速发展，导电聚合物、导电纤维、导电纱线、涂料与印刷油墨等柔性导电及半导体材料受到广泛的关注。导电纺织材料为交互式纺织品的开发提供了更多可能性，它们通常可用于通信、娱乐、医疗、安保、国土安全、计算、热防护、可穿戴电子产品及服装等领域。纺织材料因其诸多优良特性而被用作导电材料。常见的用于开发导电材料的纤维有棉、丙烯酸纤维、羊毛、蚕丝、聚酯(PE)、聚酰胺6(PA 6)等。导电聚合物能以涂层或填充材料的形式应用于纺织品。基于聚吡咯(PPy)或聚苯胺的导电纺织材料，其表面电阻达10～1 000 Ω。

1 试验方法

本文以棉织物为基底，将导电PPy单体与氧化剂FeCl3进行原位聚合，制备基于PPy的导电棉织物试样。通过数字万用表测试所得试样的电导率、电阻以及其他相关特性指标，同时采用LED方法进行定性说明。此外，测试了原位聚合反应对导电棉织物撕裂强度、厚度、增重率及透气率等物理性能的影响。

2 结果与讨论

对基于PPy的导电棉织物试样进行导电性能和物理性能测试。

2.1 聚合反应对棉织物电导率的影响

采用LED法对基于PPy的导电棉织物试样的电导率进行主观评价，并采用万用表对试样的电导率进行定量测量。

2.1.1 LED法

当PPy单体与氧化剂的浓度比为1.0∶1.1时，即采用浓度为0.20 mol/L的PPy单体与浓度为0.05 mol/L的氧化剂在棉织物上原位聚合后，测试所得织物试样的导电性能，发现LED灯不亮。但对于其他原位聚合反应后的织物试样，因采用了较高浓度的PPy单体和氧化剂处理，LED灯发亮。暗淡不亮的LED灯显示是因为复合棉织物试样上没有形成足够且连续的沉积导电膜所致。

2.1.2 万用表法

采用数字万用表测量PPy复合棉织物试样的实际电导率。测试用织物试样长105 cm，试样的电阻以Ω计。通过测得的电阻值，计算试样的电导率。

使用数字万用表惠斯通电桥和检流计，可得到定量的测试结果。本文用于原位聚合的PPy单体的浓度分别为0.2、 0.4和0.6 mol/L。将PPy单体和氧化剂的浓度比分别设置为1.0∶1.1和1.0∶1.5，记录经不同浓度PPy单体与氧化剂处理的复合导电棉织物试样的电阻率并计算电导率。

2.2 PPy单体与氧化剂浓度对复合试样电导率的影响

当PPy单体浓度较低时，其在棉织物上沉积并形成的一层较薄的涂层，不能产生导电性，这可能是织物表面的涂层不连续导致的。随着PPy单体浓度的增加，PPy在棉织物表面沉积的厚度增加。然而，通过增加涂层厚度来改善复合导电棉织物试样的电导率存在一定的局限性。试验发现，当PPy单体浓度为0.4 mol/L及以上时，原位聚合后得到的PPy涂层棉织物试样较厚且手感较僵硬。在现有试验条件下，浓度为0.3 mol/L的PPy单体有助于制备表面相对平滑且基底柔韧灵活的复合导电棉织物。

当PPy单体和氧化剂的浓度比为1.0∶1.1时，即使PPy的浓度高达0.6 mol/L，所得PPy复合导电棉织物试样的电导率仍很低，为0.675 S/cm(图1)。在相同的PPy单体浓度下，当PPy单体和氧化剂与浓度比为1.0∶1.5时，复合棉织物试样的电导率明显提升，为1.87 S/cm(图2)。因此可知，氧化剂浓度是影响PPy复合导电棉织物试样电导率的重要因素。可通过调整氧化剂浓度控制复合棉织物试样的电导率。

图1 不同聚合温度及PPy单体浓度下复合导电棉织物试样的电导率(PPy单体与氧化剂的浓度比为1.0∶1.1)

图2 不同聚合温度及PPy单体浓度下复合导电棉织物试样的电导率(PPy单体与氧化剂的浓度比为1.0∶1.5)

2.3 聚合温度对复合试样电导率的影响

对不同聚合温度(10、 20和30 ℃)下PPy与棉织物复合制备的导电棉织物试样进行电阻率测试并计算电导率，结果如图1和图2所示。由图1 和图2可以看出，随着聚合温度的上升，PPy复合导电棉织物试样的电导率下降。聚合温度对电导率有影响是因为PPy单体的聚合是通过α-β和β-β键而非α-α键进行的，因而形成了较粗糙的试样表面，进而导致复合试样的电导率下降。相反，低温条件下的原位聚合可改善PPy分子链及涂层棉织物中纤维的排列，从而可提高复合导电棉织物试样的电导率。

聚合温度的升高会导致PPy单体和聚合物、单体和单体之间的相互作用加剧，这增加了α-β和β-β键而不是α-α键聚合的机会。低温下较高的导电性通常归因于聚合物结构缺陷的减少，打破了π系统的非定域化。低温聚合还可促进分子链在更强共轭及更少缺陷的条件下进一步增长，因此，PPy单体在织物表面的低温聚合有利于形成更薄的涂层，产生更具黏附力的薄膜，以及高电导率下更稳定的PPy结构。因此，与较高的聚合温度相比，聚合温度为10 ℃时更有利于形成电导率较高的复合导电棉织物试样。

2.4 PPy复合处理对织物厚度的影响

试验表明，不同的PPy单体与氧化剂浓度比(1.0∶0.5， 1.0∶1.0)下，PPy在棉织物表面沉积的厚度不同。当PPy单体与氧化剂的浓度比为1.0∶0.5时，导电棉织物的厚度比两者浓度比为1.0∶1.0时小，即PPy单体与氧化剂浓度比为1.0∶1.0时，可在棉织物表面沉积更多的PPy涂层。

2.5 PPy涂层对织物面密度的影响

PPy沉积在棉织物表面后，织物试样的面密度增大。本文探讨了不同PPy单体与氧化剂浓度比对复合导电棉织物试样面密度的影响。结果表明，随着PPy单体与氧化剂浓度比的增大，复合导电棉织物试样的面密度增大。

2.6 耐摩擦牢度

导电织物应具有良好的质量以确保其优良的传导性能和耐久性。织物试样干态耐摩擦牢度的测试结果显示，在单体与氧化剂浓度比较高的情况下，复合棉织物试样的耐摩擦牢度较低，表明导电材料在织物表面的黏附力较弱。

3 结论

本文采用PPy原位聚合的方法制备PPy复合导电棉织物，并测试分析了复合棉织物试样的物理特性和导电性能，得到下述结论。

——吡咯原位聚合的聚合条件(如PPy单体与氧化剂的浓度比、聚合温度及聚合时间)影响PPy复合导电棉织物试样的物理性能和导电性能。

——PPy单体与氧化剂浓度比为1.0∶1.0、 PPy单体浓度为0.6 mol/L、聚合温度为10 ℃、聚合时间为4 h时，制备的复合棉织物的电导率最高，为1.87 S/cm。

——PPy复合导电棉织物试样的厚度与面密度随着PPy单体与氧化剂浓度比的增加而增大。

——织物耐摩擦牢度的测试结果显示，导电材料在棉织物表面的黏附力较弱。