聚吡咯聚多巴胺ppypda导电涤纶氨纶织物的制备与应变传感性能

聚吡咯聚多巴胺ppypda导电涤纶氨纶织物的制备与应变传感性能

近年来，随着生活水平的提高，人们越来越重视生活的舒适度和身体健康，对智能设备的需求也越来越多。导电织物由于其可变的电学特征且能够很好地与服装集成，非常适合作为传感元件使用。相比较铝片、橡胶等材料，织物的吸湿性、透气性、延伸性和舒适性更好，在应用时易于弯曲折叠，且变形后恢复能力较强，完全可以满足人体日常运动的要求，这些优点使其成为柔性传感器的极佳载体随着导电织物被作为传感元件，其拉伸应变过程中的问题也慢慢显现出来，在应变过程中，其导电层易受到破坏并脱落，从而导致导电性急速下降，影响传感器的使用寿命多巴胺(简称DA)是一种具有邻苯二酚结构的胺类分子，它有类似贝类黏蛋白的结构和性质，具有自聚合特性和显著的黏附能力，几乎可以黏附各种材料的表面本文采用多巴胺自聚改性涤纶/氨纶织物基底，使基底表面沉积聚多巴胺层，从而提高聚吡咯导电层与基底的黏附性，得到聚吡咯/聚多巴胺(PPy/PDA)导电涤纶/氨纶织物。通过提高基底和聚吡咯的结合牢度，改善织物传感器的稳定性。同时制备的PPy/PDA导电涤纶/氨纶织物具有高灵敏度，可作为传感器元件应用于人体康复训练和运动检测等方面。1实验部分1.1实验材料和设备1.1.1材料表面涤纶/氨纶纬编双罗纹织物(面密度为200g/m1.1.2探针方阻测试方法ME204E型电子天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;JB-6型磁力搅拌器，厦门瑞比精密机械有限公司;M-6型手持式四探针方阻测试仪，泉州锋云检测设备有限公司;KTC灵敏度测试盒，江南大学针织技术教育部工程研究中心;SU1510型扫描电子显微镜，日本日立公司;Nicolet10型傅里叶红外光谱仪，美国赛默飞世尔科技(中国)有限公司;E43型万能拉伸试验机，美特斯工业系统(中国)有限公司;YG401G型马丁代尔仪，宁波纺织仪器厂。1.2表面只附着于聚多肽的织物前处理:取涤纶/氨纶织物若干，在3g/L氢氧化钠溶液中于70℃水浴30min，去除织物表面油污和杂质，去离子水清洗后60℃烘干。采用真空等离子体设备(220W)对烘干后的织物进行4min的表面等离子体处理。聚多巴胺涤纶/氨纶织物的制备:将织物放入浓度为0.02mol/L的盐酸多巴胺和三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液的混合溶液(盐酸多巴胺和Tris缓冲液的摩尔质量为1∶1)中搅拌24h后取出，得到表面只附着聚多巴胺的织物。聚吡咯导电涤纶/氨纶织物的制备:将织物放入Py和HCl的混合溶液中，置于搅拌器上搅拌1h，控制温度在0～8℃。将一定浓度的FeCl聚吡咯/聚多巴胺导电涤纶/氨纶织物的制备:将前处理好的织物放入DA+Tris+HCl的混合溶液中室温磁力搅拌24h，取出60℃烘干。随后按照聚吡咯导电织物的制备方法，得到聚吡咯/聚多巴胺导电织物。清洗:反应结束后将织物取出，先用20%的乙醇溶液洗除导电织物表面不牢固沉淀物，然后用去离子水反复冲洗直至洗出液澄清，在60℃下烘干。在恒温恒湿实验室(温度为(20±2)℃，相对湿度为65%±2%)平衡24h后，待测。对得到的试样进行编号如表1所示。1.3测试和性能1.3.1织物表面电镜观察将试样剪成小块，用导电胶将试样固定在试样台上，测试前先将试样进行喷金处理，采用日本日立SU1510型扫描电子显微镜观察，在不同放大倍数下记录织物表面的图像。1.3.2试样表面的红外光谱仪表征在安装衰减全反射附件(ATR)的傅里叶红外光谱仪上对不同试样表面的官能团进行表征。将织物试样放在测试点上进行样品采集，测试范围为4000～500cm1.3.3变异系数cv值使用四探针测试仪测试试样方阻，分别取五点测试，以5个点方阻均值作为试样表面方阻值，并求其变异系数CV值。根据GB/T21196.2—2007《纺织品马丁代尔法织物耐磨性的测定第2部分:试样破损的测定》，使用马丁代尔仪对试样导电层的牢度进行测试，分别记录平磨0、100、500、1000、1500、2000、2500次后的电阻变化率和失重率。1.3.4应变传感性能测试将制备的试样沿纵向剪成1cm×6cm的长条用于传感性能测试，采用绝缘胶将导线固定在样品两端，将被测样品的两端夹持在万能拉伸试验机上，有效测试距离为5cm，另一端与KTC测试盒相连，记录样品电阻的变化。灵敏度是表征传感器传感性能的重要指标之一，当织物被拉伸时，试样内部的导电通道改变，其电阻值会发生相应变化。本文测试了试样从0%应变到100%的电阻变化情况。灵敏度G式中:ε为应变;R为拉伸状态下的电阻;R测试聚吡咯/聚多巴胺导电涤纶/氨纶织物在拉伸仪上以50%的应变反复拉伸500次后的稳定性，记录拉伸第500次电阻差值与第1次拉伸电阻差值之间的关系，用δ表示稳定性。δ越小说明传感器的稳定性越好，其计算公式为式中:ΔR2结果与讨论2.1涤纶/氨纶织物的表征不同反应条件下导电织物的表面形貌如图1所示。其中:图1(a)所示为仅清洗过的涤纶/氨纶织物;图1(b)所示为聚多巴胺涤纶/氨纶织物;图1(c)所示为聚吡咯导电涤纶/氨纶织物;图1(e)为聚吡咯/聚多巴胺导电涤纶/氨纶织物;(d)、(f)分别为试样22.2分析的弱化利用傅里叶变换红外光谱对试样0由图2可见，1094和1713cm2.3行表征结果为研究多巴胺改性对聚吡咯导电性能的影响，采用四探针电阻测试仪对试样的表面方阻和变异系数进行表征，结果如表2所示。PPy导电涤纶/氨纶织物的导电性能高于PPy/PDA导电涤纶/氨纶织物。这是由于织物表面的聚多巴胺分子链与溶液中聚吡咯胶束或低聚物发生自组装，绝缘的邻苯二酚羟基可能会阻断PPy聚合物链之间的电子转移，因此导电织物整体方阻稍有增加，但没有明显影响2.4聚吡咯电层的硬度分析分别记录试样2随着平磨次数增加，试样2从图3、4中可观察到，试样32.5应变试样的电阻稳定性采用图5所示KTC测试盒和万能拉伸试验机分别对试样2图6所示为试样的应变-电阻变化曲线，试样在0%～100%的应变下电阻变化率明显，灵敏度较好。2种试样的电阻变化趋势基本相同，这是由于应变时试样的电阻变化主要源自聚吡咯导电层的断裂变形引起的导电通路变化，PDA的加入仅增加了基底与导电层的结合牢度，并未改变其导电通路，且2种试样的方阻接近，因此2种试样的灵敏度相似。试样2根据式(2)可求得试样2为进一步论证PPy/PDA导电涤纶/氨纶织物作为应变传感器的可行性，选用3当手指保持伸直状态时，织物传感器的电阻变化为0，当手指在45°反复弯曲时，织物传感器经历伸长—回复—伸长的变化过程，从而引起电阻变化3导电均匀性的改善1)以聚多巴胺修饰的涤纶/氨纶织物为基底，制备PPy/PDA导电涤纶/氨纶织物。在表面方阻能满足传感元件需求的前提下，加入聚多巴胺能改变聚吡咯粒子的直径，改善PPy/PDA导电涤纶/氨纶织物的导电均匀性。2)通过耐磨性的测试可得出，聚