絲/毛混紡紗的導電處理及性能研究

周燕 吳惠英 劉采夢 張玉嬌 徐露黎 胡明月

摘要： 開發(fā)智能紡織品是傳統(tǒng)紡織產(chǎn)業(yè)升級的途徑之一，以導電紗線制備導電織物是最為常見的一種，文章采用聚吡咯導電高分子材料進行導電紗線的制備開發(fā)。以絲/毛混紡紗為紗線原料，氯化鐵為氧化劑、吡咯為導電材料，制備絲/毛/聚吡咯復合導電紗，分析不同反應溫度對復合導電紗線性能的影響。實驗結(jié)果表明：復合導電紗線的電導率隨著反應溫度的降低而增加，反應溫度為-5℃時，紗線的導電效果最好，電導率為8.32×10-2S/cm，斷裂強度為（35.18±0.16）cN/dtex，斷裂伸長率為11.13%±0.83%，導電處理對紗線力學性能的影響不明顯。

關(guān)鍵詞： 絲/毛混紡紗;導電處理;反應溫度;表面形貌;電導率

中圖分類號： TS101.923 ? ?文獻標志碼： A ? 文章編號： 1001-7003（2019）05-0040-04 ? 引用頁碼： 051107

Abstract： The development of smart textiles is one of the ways to upgrade the traditional textile industry. Producing conductive yarns with conductive fabrics is the most common way. In this paper， polypyrrole conductive polymeric materials were used to prepare conductive yarns. Silk/wool blended yarn was used as raw materials， FeCl3 was used as the oxidant and pyrrole was used as conductive material to prepare silk/wool/polypyrrole composite conductive yarns. The effects of different reaction temperatures on the performance of composite conductive yarn were analyzed. The experimental results showed that the conductivity of the composite conductive yarn increased with the decrease of the reaction temperature. When the reaction temperature was -5℃， the conductive effect of yarns was the best， and the conductivity was 8.32×10-2 S/cm. The breaking strength was （35.18±0.16） cN/dtex， and the elongation at break was 11.13%±0.83%. The effect of conductive treatment on the mechanical properties of the yarn was not obvious.

Key words： silk/wool blended yarn; conductive treatment; reaction temperature; morphology; conductivit

智能紡織品是今后紡織品發(fā)展的重要趨勢[1]，也是傳統(tǒng)紡織行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的有效途徑，其中導電織物是智能紡織品的重要分支。紡織品具有可加工、易成型、可折疊的特征[2]，在制備柔性導電織物方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢[3-4]。聚吡咯是一種導電高分子新材料，與紡織材料結(jié)合后的穩(wěn)定性好，并且呈現(xiàn)出較好的導電性，易合成，反應條件易控[5]，近期有關(guān)聚吡咯導電紡織品的制備及性能研究受到業(yè)內(nèi)學者的關(guān)注。本文通過導電高分子材料與紗線結(jié)合來制備導電紗，以絲/毛混紡紗為基材，利用氯化鐵作為氧化劑、吡咯為導電材料，制備絲/毛/聚吡咯復合導電紗，分析不同反應溫度對絲/毛混紡紗線的表面形態(tài)、導電性及機械性能的影響。

1 實 驗

1.1 材 料

150dtex絲/毛混紡紗（張家港市漢卓紡織有限公司），氯化鐵FeCl3（無錫市標普化學試劑有限公司），吡咯單體Py（無錫市亞琴聯(lián)合化工有限公司）。

1.2 設(shè) 備

S-570型掃描電鏡（日本Hitachi Limited），Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜測試儀（美國Thermo Nicolet Corporation），Instron-3365 型萬能材料試驗機（美國Instron），ZC-90G 高絕緣電阻測試儀（上海強佳電氣有限公司）。

1.3 絲/毛混紡紗的導電化處理

FeCl3溶液的制備：將FeCl3分別溶于去離子水中，制備得到0.9mol/L的FeCl3溶液，待用。

絲/毛混紡紗的導電化處理：將絲/毛混紡紗浸泡在配置好的FeCl3的溶液中，浸泡60min，取出后自然晾干;將晾干后的紗線固定在培養(yǎng)皿，并在培養(yǎng)皿的底部加入Py（單體）[6]，分別測試在不同反應溫度下混紡紗的導電性。在反應溫度-5、5、10℃和20℃環(huán)境下充分反應20h，再將其用去離子水浸泡，完成絲/毛混紡紗的導電化處理，得到絲/毛/聚吡咯復合導電紗，將紗線自然狀態(tài)下晾干，待測。

1.4 性能測試

1.4.1 紗線的表面形態(tài)觀察

導電紗的表面形態(tài)觀察是利用S-570掃描電子顯微鏡進行觀察，將樣品先進行噴金處理，噴金厚度20～30nm。

1.4.2 電導率測試

將導電紗在標準環(huán)境下進行調(diào)濕24h處理，利用ZC-90G高絕緣電阻測試儀進行電阻測試，電阻量程為0～2×1017Ω，分辨力100Ω，紗線的有效測量長度為2cm，再根據(jù)下式計算紗線的電導率[7]：

1.4.3 紅外光譜測試

利用Nicolet 5700紅外光譜儀測試紗線的二級結(jié)構(gòu)，將紗線剪碎，利用KBr壓片法將粉末狀的樣品與KBr制成薄餅狀，掃描32次，波數(shù)范圍為4000～500cm-1，光譜分辨率為4cm-1。

1.4.4 力學性能測試

利用Instron-3365型萬能材料試驗機測試導電處理力學性能。測試有效距離為250mm，拉伸速率200mm/min，初始張力0.2cN，每種試樣分別測試20次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 復合導電紗的表面形貌觀察

絲/毛混紡紗在不同反應溫度導電處理后形成的復合導電紗表面形貌如圖1所示。從圖1可以看出，溫度的差異導致Py在紗線中聚合的多少有所差異，聚吡咯（PPy）少量聚集時呈顆粒形態(tài)，大量聚集時會在紗線表面呈現(xiàn)出片狀結(jié)構(gòu)。當反應溫度為-5℃時，紗線表面覆蓋了一層PPy物質(zhì)，且呈片狀結(jié)構(gòu);當溫度繼續(xù)升高至5℃時，在紗線表面仍然可以觀察到PPy，以大的團聚顆粒形態(tài)出現(xiàn);當溫度繼續(xù)升高至10、20℃后，紗線上只觀察到少量的PPy。這說明，PPy在絲/毛混紡紗中的聚合情況會隨溫度的變化而變化，溫度高時，聚合物鏈的缺陷增加，π電子系統(tǒng)離域受到破壞，電導率下降[8]，處理溫度較低，有利于PPy的聚合。

2.2 復合導電紗的電導率分析

反應溫度對復合導電紗電導率的影響如表1所示。反應溫度對導電材料在紗線中的聚合情況有影響，因而影響了紗線的電導率。導電紗線的電導率隨著電荷載流子密度、電荷數(shù)及載流子的遷移率變化[8]，而反應溫度的改變會影響載流子的遷移率，反應溫度低，PPy分子鏈的增長速度慢，排列規(guī)整，聚合物中缺陷結(jié)構(gòu)含量少，載流子的遷移率就高，電導率高。在本實驗條件下，當反應溫度為-5℃時，電導率為8.32×10-2S/cm。隨著反應溫度的升高，聚合物鏈缺陷增多，載流子的遷移率降低，電導率呈逐漸下降的趨勢[9]，當溫度升高到20℃時，電導率只有6.26×10-5S/cm。因此，復合導電紗在不同反應溫度下表現(xiàn)出來的電導率與Py的附著量直接相關(guān)。

2.3 復合導電紗紅外光譜分析

絲/毛/PPy復合導電紗經(jīng)過不同溫度處理后的紗線紅外光譜如圖2所示。羊毛和蠶絲均為蛋白質(zhì)纖維，都含有酰胺鍵，其中1630～1660cm-1為酰胺I區(qū)，主要是C═O的伸縮振動，吸收峰1628cm-1歸屬β-折疊[10];1510cm-1處為酰胺II區(qū)，吸收峰1513cm-1表征了N—H的變形振動，1441cm-1處的吸收峰歸因于吡咯環(huán)的伸縮振動[11]，1286cm-1的吸收峰為C—N鍵的彎曲振動。這說明絲/毛混紡紗在PPy處理過程中，PPy附著于混紡紗線表面，與紗線的表面形貌圖的結(jié)論一致。

2.4 復合導電紗力學性能分析

絲/毛混紡紗經(jīng)導電處理后，紗線的力學性能與未處理時表現(xiàn)出一定的變化，如表2所示。紗線在氧化劑作用下受損，會在某種程度上影響紗線的力學性能，但PPy附著于紗線表面，對基材又起到一定的支撐[7]。當反應溫度為-5℃時，由于有更多的PPy附著于紗線的表面，因此紗線的斷裂強度和斷裂伸長率只有小幅下降，斷裂強度為（35.18±0.16）cN/dtex，下降0.2%;當反應溫度為20℃時，斷裂強度為（3509±0.42）cN/dtex，下降也只有0.4%。而斷裂伸長率的變化在0.7%～3.5%，這說明PPy導電處理后紗線的力學性能基本不會有太大影響。

3 結(jié) 論

本文以絲/毛混紡紗為基材，利用FeCl3作為氧化劑、Py為導電材料，制備絲/毛/PPy復合導電紗，分析不同反應溫度對復合導電紗線性能的影響。實驗結(jié)果表明：反應溫度的變化會影響到紗線的電導率，反應溫度低，聚合物鏈缺結(jié)構(gòu)含量少，載流子的遷移率就高，電導率高。當反應溫度為-5℃時，紗線的導電效果最好，紗線的表面聚合了更多的PPy導電材料，電導率為8.32×10-2S/cm，斷裂強度為（3518±0.16）cN/dtex，斷裂伸長率為11.13%±083%，導電處理對紗線的力學性能的影響不明顯。

參考文獻：

[1]李惠芝， 莊勤亮， 徐原. 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對聚吡咯導電織物導電性的影響[J]. 東華大學學報（自然科學版）， 2015， 41（1）： 37-42.

LIU Huizhi， ZHUANG Qinliang， XU Yuan. Effect of fabric structure parameters on the electrical conductivity of polypyrrole conducting fabrics [J]. Journal of Donghua University （Natural Science）， 2015， 41（1）：37-42.

[2]吳惠英. 再生絲素蛋白纖維及其在生物醫(yī)用材料中的研究進展[J]. 絲綢，2017， 54（3）： 6-12.

WU Huiying. Research progress in regenerated silk fibroin fiber and its application in biomedical materials [J]. Journal of Silk，2017， 54（3）：6-12.

[3]馮輝霞， 白德忠， 張永臣， 等. 基于聚吡咯復合材料的制備及其應用研究進展[J]. 化工新型材料， 2017， 45（4）： 13-16.

FENG Huixia， BAI Dezhong， ZHANG Yongchen， et al. Research progress of preparation and application of composite based on polypyrrole [J]. New Chemical Materials， 2017， 45（4）：13-16.

[4]董猛， 田俊瑩. 聚吡咯/銀導電滌綸織物的開發(fā)[J]. 印染， 2015，41（22）： 1-4.

DONG Meng， TIAN Junying. Preparation of polypyrrole/Ag conductive polyster fabric [J]. Dyeing and Finishing， 2015， 41（22）： 1-4.

[5]孫東豪. 聚吡咯/絲素導電復合材料的制備及特性[J]. 絲綢， 2009（4）： 13-16.

SUN Donghao. Preparation and characteristic of PPy/SF conductive composites [J]. Journal of Silk ， 2009（4）：13-16.

[6]姜志娟. 桑蠶絲絹紡下腳的再生研究[D]. 蘇州： 蘇州大學， 2016：44.

JIANG Zhijuan. Study on Regeneration of Bombyx Mori Waste Silk [D]. Suzhou：Soochow University， 2016：44.

[7]洪劍寒， 李文亮， 韓瀟， 等. 導電蠶絲的制備與性能研究[J]. 成都紡織高等?？茖W校學報， 2016， 33（3）： 36-39.

HONG Jianhan， LI Wenliang， HAN Xiao， et al. Preparation and properties of conductive silk [J].Journal of Chengdu Textile College， 2016， 33（3）： 36-39.

[8]任麗， 張雪峰， 王立新， 等. 化學氧化法聚吡咯導電性能與導電機理[J]. 半導體學報， 2007， 28（9）： 36-39.

REN Li， ZHANG Xuefeng， WANG Lixin， et al. Conductivity and conducting mechanism of polypyrrole via chemical oxidative polymerization [J]. Chinese Journal of Semiconductors， 2007， 28（9）： 36-39.

[9]劉皓， 陳婷婷， 趙利端， 等. 聚吡咯涂層織物的研究進展[J]. 紡織導報， 2018（3）： 64-67.

LIU Hao， CHEN Tingting， ZHAO Liduan，et al. Research progress on the fabric with PPy-coating [J]. China Textile Leader， 2018（3）： 64-67.

[10]莊琳， 徐燕紅， 宋小嬌. 羊毛羊絨紅外光譜特征及鑒別方法探討[J]. 安徽農(nóng)學通報， 2015， 21（13）： 111-115.

ZHUANG Lin， XU Yanhong， SONG Xiaojiao. The identification method of wool and cashmere infrared absorption spectrum [J]. Anhui Agricultural Science Bulletin， 2015， 21（13）： 111-115.

[11]李飛， 陶義飛. 聚吡咯納米纖維材料的制備及表征[J]. 離子交換與吸附， 2017，32 （2）： 179-186.

LI Fei， TAO Yifei. Preparation and characterization of polypyrrole nano fiber materials [J]. Ion Exchange and Adsorption， 2017， 32 （2）： 179-186.