聚吡咯聚多巴胺ppypda導電滌綸氨綸織物的制備與應變傳感性能

聚吡咯聚多巴胺ppypda導電滌綸氨綸織物的制備與應變傳感性能

近年來，隨著生活水平的提高，人們越來越重視生活的舒適度和身體健康，對智能設備的需求也越來越多。導電織物由于其可變的電學特征且能夠很好地與服裝集成，非常適合作為傳感元件使用。相比較鋁片、橡膠等材料，織物的吸濕性、透氣性、延伸性和舒適性更好，在應用時易于彎曲折疊，且變形后恢復能力較強，完全可以滿足人體日常運動的要求，這些優(yōu)點使其成為柔性傳感器的極佳載體隨著導電織物被作為傳感元件，其拉伸應變過程中的問題也慢慢顯現(xiàn)出來，在應變過程中，其導電層易受到破壞并脫落，從而導致導電性急速下降，影響傳感器的使用壽命多巴胺(簡稱DA)是一種具有鄰苯二酚結構的胺類分子，它有類似貝類黏蛋白的結構和性質，具有自聚合特性和顯著的黏附能力，幾乎可以黏附各種材料的表面本文采用多巴胺自聚改性滌綸/氨綸織物基底，使基底表面沉積聚多巴胺層，從而提高聚吡咯導電層與基底的黏附性，得到聚吡咯/聚多巴胺(PPy/PDA)導電滌綸/氨綸織物。通過提高基底和聚吡咯的結合牢度，改善織物傳感器的穩(wěn)定性。同時制備的PPy/PDA導電滌綸/氨綸織物具有高靈敏度，可作為傳感器元件應用于人體康復訓練和運動檢測等方面。1實驗部分1.1實驗材料和設備1.1.1材料表面滌綸/氨綸緯編雙羅紋織物(面密度為200g/m1.1.2探針方阻測試方法ME204E型電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;JB-6型磁力攪拌器，廈門瑞比精密機械有限公司;M-6型手持式四探針方阻測試儀，泉州鋒云檢測設備有限公司;KTC靈敏度測試盒，江南大學針織技術教育部工程研究中心;SU1510型掃描電子顯微鏡，日本日立公司;Nicolet10型傅里葉紅外光譜儀，美國賽默飛世爾科技(中國)有限公司;E43型萬能拉伸試驗機，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司;YG401G型馬丁代爾儀，寧波紡織儀器廠。1.2表面只附著于聚多肽的織物前處理:取滌綸/氨綸織物若干，在3g/L氫氧化鈉溶液中于70℃水浴30min，去除織物表面油污和雜質，去離子水清洗后60℃烘干。采用真空等離子體設備(220W)對烘干后的織物進行4min的表面等離子體處理。聚多巴胺滌綸/氨綸織物的制備:將織物放入濃度為0.02mol/L的鹽酸多巴胺和三羥甲基氨基甲烷(Tris)緩沖液的混合溶液(鹽酸多巴胺和Tris緩沖液的摩爾質量為1∶1)中攪拌24h后取出，得到表面只附著聚多巴胺的織物。聚吡咯導電滌綸/氨綸織物的制備:將織物放入Py和HCl的混合溶液中，置于攪拌器上攪拌1h，控制溫度在0～8℃。將一定濃度的FeCl聚吡咯/聚多巴胺導電滌綸/氨綸織物的制備:將前處理好的織物放入DA+Tris+HCl的混合溶液中室溫磁力攪拌24h，取出60℃烘干。隨后按照聚吡咯導電織物的制備方法，得到聚吡咯/聚多巴胺導電織物。清洗:反應結束后將織物取出，先用20%的乙醇溶液洗除導電織物表面不牢固沉淀物，然后用去離子水反復沖洗直至洗出液澄清，在60℃下烘干。在恒溫恒濕實驗室(溫度為(20±2)℃，相對濕度為65%±2%)平衡24h后，待測。對得到的試樣進行編號如表1所示。1.3測試和性能1.3.1織物表面電鏡觀察將試樣剪成小塊，用導電膠將試樣固定在試樣臺上，測試前先將試樣進行噴金處理，采用日本日立SU1510型掃描電子顯微鏡觀察，在不同放大倍數(shù)下記錄織物表面的圖像。1.3.2試樣表面的紅外光譜儀表征在安裝衰減全反射附件(ATR)的傅里葉紅外光譜儀上對不同試樣表面的官能團進行表征。將織物試樣放在測試點上進行樣品采集，測試范圍為4000～500cm1.3.3變異系數(shù)cv值使用四探針測試儀測試試樣方阻，分別取五點測試，以5個點方阻均值作為試樣表面方阻值，并求其變異系數(shù)CV值。根據(jù)GB/T21196.2—2007《紡織品馬丁代爾法織物耐磨性的測定第2部分:試樣破損的測定》，使用馬丁代爾儀對試樣導電層的牢度進行測試，分別記錄平磨0、100、500、1000、1500、2000、2500次后的電阻變化率和失重率。1.3.4應變傳感性能測試將制備的試樣沿縱向剪成1cm×6cm的長條用于傳感性能測試，采用絕緣膠將導線固定在樣品兩端，將被測樣品的兩端夾持在萬能拉伸試驗機上，有效測試距離為5cm，另一端與KTC測試盒相連，記錄樣品電阻的變化。靈敏度是表征傳感器傳感性能的重要指標之一，當織物被拉伸時，試樣內部的導電通道改變，其電阻值會發(fā)生相應變化。本文測試了試樣從0%應變到100%的電阻變化情況。靈敏度G式中:ε為應變;R為拉伸狀態(tài)下的電阻;R測試聚吡咯/聚多巴胺導電滌綸/氨綸織物在拉伸儀上以50%的應變反復拉伸500次后的穩(wěn)定性，記錄拉伸第500次電阻差值與第1次拉伸電阻差值之間的關系，用δ表示穩(wěn)定性。δ越小說明傳感器的穩(wěn)定性越好，其計算公式為式中:ΔR2結果與討論2.1滌綸/氨綸織物的表征不同反應條件下導電織物的表面形貌如圖1所示。其中:圖1(a)所示為僅清洗過的滌綸/氨綸織物;圖1(b)所示為聚多巴胺滌綸/氨綸織物;圖1(c)所示為聚吡咯導電滌綸/氨綸織物;圖1(e)為聚吡咯/聚多巴胺導電滌綸/氨綸織物;(d)、(f)分別為試樣22.2分析的弱化利用傅里葉變換紅外光譜對試樣0由圖2可見，1094和1713cm2.3行表征結果為研究多巴胺改性對聚吡咯導電性能的影響，采用四探針電阻測試儀對試樣的表面方阻和變異系數(shù)進行表征，結果如表2所示。PPy導電滌綸/氨綸織物的導電性能高于PPy/PDA導電滌綸/氨綸織物。這是由于織物表面的聚多巴胺分子鏈與溶液中聚吡咯膠束或低聚物發(fā)生自組裝，絕緣的鄰苯二酚羥基可能會阻斷PPy聚合物鏈之間的電子轉移，因此導電織物整體方阻稍有增加，但沒有明顯影響2.4聚吡咯電層的硬度分析分別記錄試樣2隨著平磨次數(shù)增加，試樣2從圖3、4中可觀察到，試樣32.5應變試樣的電阻穩(wěn)定性采用圖5所示KTC測試盒和萬能拉伸試驗機分別對試樣2圖6所示為試樣的應變-電阻變化曲線，試樣在0%～100%的應變下電阻變化率明顯，靈敏度較好。2種試樣的電阻變化趨勢基本相同，這是由于應變時試樣的電阻變化主要源自聚吡咯導電層的斷裂變形引起的導電通路變化，PDA的加入僅增加了基底與導電層的結合牢度，并未改變其導電通路，且2種試樣的方阻接近，因此2種試樣的靈敏度相似。試樣2根據(jù)式(2)可求得試樣2為進一步論證PPy/PDA導電滌綸/氨綸織物作為應變傳感器的可行性，選用3當手指保持伸直狀態(tài)時，織物傳感器的電阻變化為0，當手指在45°反復彎曲時，織物傳感器經(jīng)歷伸長—回復—伸長的變化過程，從而引起電阻變化3導電均勻性的改善1)以聚多巴胺修飾的滌綸/氨綸織物為基底，制備PPy/PDA導電滌綸/氨綸織物。在表面方阻能滿足傳感元件需求的前提下，加入聚多巴胺能改變聚吡咯粒子的直徑，改善PPy/PDA導電滌綸/氨綸織物的導電均勻性。2)通過耐磨性的測試可得出，聚