碳纳米管/水性聚氨酯涂层导电纱线的制备及性能研究

2023-03-18曹友胜张之涵吴瀚韬王晟宇蔡明坤许福军

国际纺织导报 2023年5期

曹友胜张之涵吴瀚韬刘阳王晟宇蔡明坤陈伟许福军

东华大学纺织学院(中国)

近年来,柔性电子产品广泛应用于健康监测[1]、人机交互[2]及娱乐等领域,这对材料的灵活性、可穿戴性、功能性提出了更高的要求。导电纱线具有轻质、柔韧、导电可控等优点,可作为柔性电子材料的重要选择[3]。为了实现所需功能,常采用银纳米线[4]、石墨烯、碳纳米管、MXene[5]等纳米结构导电材料构建导电纱线,其中高展弦比和低密度碳纳米管(CNT)因其良好的力学、电学和性能稳定性,在开发高性能导电纱线方面具有重要潜力[6]。因此,碳纳米管基导电纱线近年来在柔性电子器件的开发中得到广泛研究。

与一般基于碳纳米管的导电纱线制备方法(如干法纺丝[7]、湿法纺丝[8]等)相比,采用浸渍涂层制备导电纱线更加简便、高效,是制备导电纱线的理想选择[9]。然而,碳纳米管与常见的纱线基质(如PET、PP等强度高、耐磨性好的合成纤维)的界面结合性能较差,导致涂层易脱落、分层,大大影响了导电纱线的性能[10]。为此,有学者采用添加黏结剂的方式改善CNT与纱线基质的界面结合性能。其中水基黏结剂——水性聚氨酯(WPU)凭借其安全环保、成膜性好、力学性能优异等特点,成为了黏结剂的研究热点[11]。但传统的纺织纱线结构较为紧密,涂层过程中导电涂料很难浸入纱线内部,仅在纱线表面形成致密、均匀的导电涂层,阻碍了导电材料的进一步附着,从而限制了导电纱线的导电性。因此,本文选用膨松多孔的涤纶拉伸变形丝作为纱线基质,采用碳纳米管(CNT)/水性聚氨酯(WPU)导电油墨进行浸渍涂层,制备了高导电的碳纳米管/水性聚氨酯涂层导电纱线(CNT/WPU涂层导电纱线),并采用扫描电子显微镜观察导电纱线的形貌,研究WPU质量分数[ω(WPU)]不同的导电油墨和涂层次数对涂层导电纱线导电性的影响。

1 试验部分

1.1 材料

本试验所使用的碳纳米管水分散液由中科纳能科技有限公司提供,以去离子水为分散介质,四硝基芴醇酸酯(TNWDIS)为分散剂,分散液中碳纳米管质量分数[ω(CNT)] 为10 %;PU-700A型阳离子型水性聚氨酯树脂乳液由旺达化工企业有限公司提供,固含量为19 %;有机硅消泡剂由上海远业生物科技有限公司提供;涤纶拉伸变形丝(17 tex/48F)由江苏三联新材料有限公司提供,涤纶纤维直径为18 μm;LED小灯泡购于博明仕有限公司。

1.2 仪器

SU8010型场发射扫描显微镜,Hitachi公司;34405A型数字万用表,上海安捷伦科技有限公司;MS304 S型电子分析天平,Mettler Toledo公司;ECLIPES LV 100 N POL型偏光显微镜,上海尼康仪器有限公司;SH05-3 G型磁力搅拌器,上海梅颖浦有限公司;DZF-6050型台式真空干燥箱,北方利辉有限公司。

1.3 方法

1.3.1 CNT/WPU导电油墨的制备

本试验首先通过磁力搅拌的方式制备不同WPU质量分数[ω(WPU)]的CNT/WPU复合导电油墨。将5份10 g碳纳米管水分散液[ω(CNT)为10 %)]分别置于玻璃瓶中,分别加入0.56、1.19、1.90、2.70、3.62 g WPU乳液,0.12 g消泡剂,置于磁力搅拌器恒温搅拌反应2 h后,分别制得ω(WPU)为1 %～5 %的CNT/WPU导电油墨。

1.3.2 CNT/WPU涂层导电纱线的制备

实验室采用图1所示的CNT/WPU涂层导电纱线的制备流程。首先,在室温下将涤纶拉伸变形丝分别在不同WPU质量分数的CNT/WPU导电油墨中浸渍15 min,取出纱线后进行垂直矫正,直至纱线表面的液滴完全排干,形成均匀稳定的涂层;然后对纱线进行热拉伸干燥,具体步骤为:使用自制的拉伸干燥平台,将浸渍后的纱线在10%的拉伸伸长率下拉伸并固定纱线两端,放置烘箱内,在90 ℃下干燥定型;重复上述浸渍干燥步骤,制得不同WPU质量分数的CNT/WPU涂层导电纱。

图1 CNT/WPU涂层导电纱线的制备流程示意

1.4 性能测试

1.4.1 导电纱线直径测试

采用偏振光显微镜对CNT/WPU涂层导电纱线的结构形貌进行观测并拍照,纱线直径为采用ImageJ软件测量随机5处纱线直径后的平均值。

1.4.2 电学性能测试

图2为导电纱线电阻测试图。采用两探针法通过34405A型数字万用表测试CNT/WPU涂层导电纱线的电阻,测试样品长度为20 mm,样品两端采用导电银胶与铜丝黏结后作为电极,银胶在80 ℃烘箱中烘干40 min,电极间距10 mm;通过偏光显微镜观察、计算 CNT/WPU涂层导电纱线的直径,根据公式(1)计算 CNT/WPU涂层导电纱线的电导率:

图2 导电纱线电阻测试图

(1)

式中:σ为电导率,S/m;L为电极间距,m;R为万用表测得的电阻,Ω;d为CNT/WPU涂层导电纱线的直径,m。每个试样测试10次,结果取平均值。

将CNT/WPU涂层导电纱线作为导线与LED小灯泡的两端金属电极相连,在3 V电压下测试和观察小灯泡的亮灯情况。

1.4.3 纱线表面及截面形态测试

将涂层导电纱线试样置于干燥器中,在室温下平衡24 h,制样后抽真空喷金处理,采用SU8010型场发射扫描显微镜观察试样表面及截面微观结构,并拍照记录。

2 试验结果与分析

2.1 电学性能分析

2.1.1ω(WPU)对导电性的影响

如图3所示,随着ω(WPU)增加,CNT/WPU导电油墨的σ呈不断下降的趋势。这是因为WPU是一种非导电聚合物,当将其与CNT分散体混合时,WPU大分子会阻碍CNT导电网络的构建,从而影响CNT/WPU导电油墨的导电性。

图3 不同ω(WPU)CNT/WPU导电油墨的电导率

与CNT/WPU导电油墨不同,如图4所示,随着ω(WPU)的增加,CNT/WPU导电油墨涂层的导电纱线的电阻呈现先减少后增加的趋势,而电导率则呈先增加再减少的趋势。这是因为WPU作为一种水基黏结剂,会影响CNT/WPU导电油墨与纱线基质的附着。当ω(WPU)为1%时,导电油墨几乎不具备黏结性,导致CNT很难涂覆到纱线上。随着ω(WPU)增加至2%,导电油墨的黏附性增加,CNT的涂覆量增加,导电纱线电阻降低,电导率升高;而随着ω(WPU) 继续增加,WPU对导电网络构建的阻碍作用更加明显,导致导电纱线的电阻增大、电导率下降。

图4 不同ω(WPU)CNT/WPU导电油墨涂层导电纱线的电阻与电导率

2.1.2 涂层次数对导电性的影响

通过对不同ω(WPU)CNT/WPU导电油墨涂层的纱线电导率的分析可知,当ω(WPU) 为2 %时,制备的导电纱线的σ最大,因此利用该导电油墨对涤纶拉伸变形丝进行多次涂层,并测试导电纱线的直径和电导率。如图5所示,在前5次涂层过程中,随着涂层次数的增加,导电纱线的σ和d逐渐增大,而在第6次涂层之后,导电纱线的d和σ逐渐趋于稳定。这是因为涤纶拉伸变形丝作为一种膨松多孔的纱线基质,涂层过程中,CNT/WPU能够很容易地浸涂到纱线内部。当纱线内部被涂满后,导电油墨会在纱线表面形成均匀的导电层,在这个过程中,CNT的质量分数不断增加,导电纱线的直径增加,电导率升高,但当导电纱线表面形成均匀致密的导电网络后,继续涂层很难再增大CNT的质量分数,导致导电纱线的直径几乎不变,电导率在2 000 S/m处趋于稳定。

图5 不同浸渍涂层次数下导电纱线的σ和d

2.2 形貌分析

图6为浸涂ω(WPU)为1 %～3 % CNT/WPU导电油墨制备的导电纱线截面的扫描电镜图。从图6中可以看出,当ω(WPU)为1%时,纱线表面的导电层脱落,纱线内部只附着了很少的CNT,纱线结构松散。当ω(WPU)为2%时,CNT/WPU导电油墨完全渗入到纱线内部,WPU优异的黏结性使CNT黏附在纤维上,并形成均匀密实的纱线结构。当ω(WPU)增加至3%时,由于CNT/WPU导电油墨的黏稠度较高,纱线孔隙内只附着少量的CNT,并在纱线外部形成导电外壳,致使纱线结构出现缺陷,阻碍了连续导电网络的构建。说明当导电油墨中ω(WPU)为2 %时,碳纳米管可以渗入并黏附到纱线内部,从而获得较好的导电性能。

a)和a′) CNT/WPU导电油墨[ω(WPU)为1% ]单次浸渍涂层b)和b′) CNT/WPU导电油墨[ω(WPU) 为2%]单次浸渍涂层c)和c′) CNT/WPU导电油墨[ω(WPU)为3 %]单次浸渍涂层d)和d′) CNT/WPU导电油墨[ω(WPU) 为2 %]4次浸渍涂层图6 CNT/WPU涂层导电纱线截面扫描电子显微镜图

通过重复浸渍ω(WPU)为2 %的CNT/WPU导电油墨获得的导电纱线截面扫描电子显微镜图如图6d)和图6d′)所示。由于WPU出色的黏结性,使CNT/WPU涂层导电纱线表面和内部均形成了连续均匀的导电网络,这大大增加了CNT的负载量,因此显著提高了导电性。

2.3 导电纱线的应用

CNT/WPU涂层导电纱线具有出色的导电性和柔韧性,因此可以作为导线应用于电子设备中。为了直观地展示CNT/WPU涂层导电纱线的应用前景,将CNT/WPU涂层导电纱线作为导线与LED小灯泡的电极相连构建各种电路。如图7所示,LED小灯泡在串联和并联电路中与CNT/WPU涂层导电纱线连接良好,可以在3 V的电压下被轻松点亮。