纤维聚苯胺复合材料在有机电化学晶体管上应用

纤维聚苯胺复合材料在有机电化学晶体管上应用

摘要

因为高分子复合导电纤维材料不仅具有柔顺性，可编织性，而且还有优良的导电

性而被用于各个方面，在导电纤维中最重要的电子元件是晶体管。相比传统的硅半导

体晶体管的柔顺性差、有机场效应晶体管制备技术复杂，对栅级的厚度敏感度性高;

工作电压大等不足，纳米纤维/聚苯胺复合材料制备有机电化学晶体管，不仅具有良好

的稳定性、而且反应更加灵敏、工作电压更低，应用前景更广泛。本实验就是用不同

的配方将聚苯胺通过原位聚合的方式镀到Cotton或PET上制备Cotton/PANI或

PET/PANI导电纤维，并制备有机电化学晶体管。研究了Cotton/PANI或PET/PANI复

合材料的电阻、红外光谱、扫描电镜、拉伸性能、并测试了有机电化学晶体管的性能。

最后通过一系列的测试数据对比得出最适合用于制作有机电化学晶体管的基材和实验

方法。

关键词：Cotton；PET；聚苯胺；有机电化学晶体管

论文类型:

目录

1绪论..........................................................................1

1.1晶体管概述................................................................1

1.1.1晶体管简介..........................................................1

1.1.2有机电化学晶体管简介...............................................2

1.2聚苯胺导电高分子聚合物...................................................3

2实验部分......................................................................5

2.1实验试剂和实验仪器.......................................................5

2.1.1实验主要试剂........................................................5

2.1.2实验主要仪器........................................................5

2.2PET/PANI导电纤维的制备（配方1）........................................6

2.3Cotton/PANl导电纤维的制备（配方2）............................................................................7

2.4有机电化学晶体管制备.....................................................7

2.4.1电解质的制各........................................................7

2.4.2有机电化学晶体管制备...............................................7

2.5PET/PANLCotton/PANI纤维表面形貌研究...................................8

2.6PET/PANLCotton/PANI纤维表面结构分析...................................8

2.7PET/PANLCotton/PANI纤维导电性能分析...................................9

2.8PET/PANLCotton/PANI纤维机械性能分析...................................9

3结果与讨论...................................................................10

3.1微观结构SEM的研究和讨论...............................................10

3.2红外光谱分析............................................................12

3.3导电性能.................................................................13

3.4拉伸性能................................................................15

3.5有机电化学晶体管的测试..................................................17

3.5.1输出曲线...........................................................17

3.5.2转移曲线...........................................................18

3.5.3开关曲线...........................................................19

4结论.........................................................................21

致谢...............................................................22

参考文献.........................................................................23

附件：...........................................................................24

II

1绪论

1.1晶体管概述

1.1.1晶体管简介

晶体管是一种固体半导体器件，它有检测波流，整理波流，电流的放大、开关、

信号调节，电压的稳压作用和许多其它电学方面的应用。用高分子复合导电纤维材料

制作的晶体管用于电流开关，和传统的普通开关不一样的地方是晶体管开关通过控制

电流来控制开关的。而且开关的反应速度非常快。其使用范围广，能用于高压高频环

境下。晶体管的主要制作材料是半导体高分子复合材料。它的构成最少有三个能够与

外界相连接的端点（称为极），其中一个端点是控制吸，另外两个端点是通过控制施加

在两极卜的电.压差来调控捽制极的非线性电阻关系C通过改变晶体管的输入电流、输

入电压或改变输出端电阻的操作能够达到该改变输出端的电流的目的。而且晶体管输

出信号的功率和输入功率没有明显的大小之分，也就是说输入功率可以小于输出功，

因此晶体管可以作为一种传感器的电子信号放大器。

晶体管主要分为双极性晶体管和场效应晶体管两大类。双极性晶体管的三个电极

分别是发射极（E）、基极（B）和集电极（C）。E极到B极的电流的细微变化就会导

致E极到C极之间的阻抗发生改变，同时也改变了流经晶体管的电流。场效应晶体管

的三个极分别是源极（S极）、栅极（G极）和漏极（D极）。通过改变S极与G极的

电压能够改变S极与D极之间的阻抗，从而能够达到改变流经S极与D极之间的电流

场效应晶体管是一种通过改变输入回路的电流来改变晶体管中的电场效应来达到

改变输出回路中的电流的半导体器件。其工作原理是以G极与沟道间的PN结形成的

反偏的G极电压控制D极-S极间流经沟道的沟道电流，工作电流是由较多数载流子运

输，也称单极性晶体管。具有输入阻抗高，噪声小，稳定性好，易集成，反应灵敏等

优点，现已得到广泛的研究和应用。随着场效应晶体管的研究接近极端，在小型化和

大表面积器件制造上还存在许多问题，二十世纪8（）年代人们将有机半导体材料引入场

效应晶体管。在此后的一段时间里，有机场效应晶体管迅速发展，开关电压由几百伏

下降到几伏。

有机场效应晶体管和电容器在结构上相类似，有机半导体薄膜晶体管的导电通道

的S极和G极相当于电容器的两个电极。当在G极与S极之间加上电压VG时，电荷

在有机半导体晶体管的电解质层与绝缘层的界面处累积起来形成导电沟道，此时在S

极与D极之间的电压差的作用下就会在S极与D极之间产生电流，电流的大小由G电

极与S电极之间的电压差和S电极与D电极之间的电压差共同控制。有机场效应晶体

管相比较于简单的晶体管具有材料来源丰富，工作电压不高，器件安全可靠，可兼容

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柔性基底。可溶液加工成电化学薄膜等突出优点而深受重视，柔性显示广泛的使用了

此类材料，柔性有机集成电路，化学传感器等。

1.1.2有机电化学晶体管简介

有机电化学晶体管是有机薄膜晶体管的一种，也属于场效应管。简易的有机电化

学晶体管有三个镀聚苯胺的微电极，S电极与D电极之间的电流会通过导电层，G电

极上的电子的和沟道中的离子通过电解质进行接触。

在G电极上施加电压，通过改变沟道导电电解质的掺杂过程，使阳离子从电解质

溶液中渗透进入通道来达到减小沟道电流的目的。道过控制G电极电位变化来调节S

电极与D电极之间的电流的大小，稍微改变G电极的电压（几毫伏），S电极与D电

极间的电流就会有很大变化，具有良好的放大特性。与有机薄膜晶体管相比，有机电

化学晶体管具有更低的操作电位和更短的响应时间，在1V范围内，开关比为600,开

关时间为10（）mso

有机电化学晶体管有三个电极，分别是源极（S极）、栅极（G极）和漏极（D极）。

S电极与D电极之间的电流会流经导电聚合膜，导电沟道中的电子与G电极上的电子

在电解质中进行了离子接触。通过改变S极与G极的电压能够改变S极与D极之间的

阻抗，从而能够达到改变流经S极与D极之间的电流。

有机电化学晶体管的沟道电流是由下列公式推导出：

式1

Vp=qp：tlCi式2

仆％+如式3

有机电化学晶体管的沟道电流是由科学家提出，聚乙烯二氧睡：藻酸双酯钠被他

们作为半导体的使用原件。当正电压施加在G电极上时，聚乙烯二氧曝：藻酸双酯钠

层中会有电解质中的阳离子进入，因此半导体中掺杂反应就是因此引发的，一样沟道

中电流的变化也与此有关。

引起有机电化学晶体管的变化主要有三个方面：第一，由于传感器中的有机电化

学晶体管的变化是由两个界面共同控制。即栅极/电解质和电解质/沟道，随便哪一个界

面的变化都会引起晶体管的性能发生改变。第二，晶体管性能的变化也受电容的影响,

第三，在导电聚合物聚合的过程中，往导电聚合物溶液中加入某些物质，也会导致导

电聚合物的结构发生改变，影响聚合物的导电性，从而制成的晶体管的S电极与D电

极之间的电流也会发生改变。这三种变化对于基于有机电化学晶体管的离子传感器，

抗原■抗体传感器和DNA传感器等器件性能有着显著的影响.

2

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目前有机薄膜晶体管由于其生产成本比类似材料的生产成本明显较低，还有他的

高功能性。有机薄膜晶体管的巨大的市场潜力和商业化价值慢慢的显现出来。在不久

的将来新的平板电脑显示屏的核心技术就是有机薄膜晶体管的应用水平。有机薄膜晶

体管的基本构造以及功能和传统的半导体硅晶体管基本差不多，不同之处在于它应用

了高分子导电复合材料作为制造材料。把它和现有的非晶硅或多晶硅晶体管相比，有

机薄膜晶体管具备以下特点：加工温度不高，不仅能耗明显减少，而且柔性基板特别

适用；工艺过程#常简单，成本明显减少，卡富的材料来源，发展潜力巨大，同时环

境安全。

社会发展和技术进步的发展趋势也与这些特点相映衬，所以，在国际上得到很大

程度的默认了它的出现和进步，吸引了大多数群众的眼光，它的的研发和发展也已经

被许多国际大公司和研发机构关注，有机薄膜晶体管的性能以平均每年上升十倍的速

率在飞速发展，可以这样说，新一代平板电脑显示屏的核心材料就是有机薄膜晶体管。

有机电化学晶体管不仅仅具有机薄膜晶体管的结构简单、操作电位低以及能在溶液环

境下工作的良好性能而且也拥有非常好的生物相容性，所以有机电化学晶体管不仅仅

是符合生物应用的基本要求，还很适用于生物检测。

1.2聚苯胺导电高分子聚合物

聚苯胺，导电高分子复合材料的一种，具有良好的导电性。具有特殊的电学、光

学性质，经掺杂后可在研发和将来发展方面都拥有各种各样的用途。

聚苯胺的导电性来源于分子链中的P电子结构，随分子链中P电子价带体系的变

化，P成键态和P*反键态相互作用形成价带和导带，这种部分地方的P电子不结构经

形成不导电态。和其它高分子导电纤维复合材料在氧化剂作用下产阴离子空位的掺杂

机制不同，聚苯胺的脱杂过程中电子的数量是发生变化的，是由脱杂的质子中的H+和

电解质中的阳离子与胺或基团中N原子结合的形势进入主链中，而使聚苯胺出现非常

高的导电性。

聚苯胺表现出不同的颜色是因为聚苯胺的氧化程度不同而导致的。完全还原的聚

苯胺（还原态聚苯胺碱）是白色不导电的聚合物，主链中没有共辄的重复单元；经氧

化掺杂，得到苯胺绿碱为蓝色不导电的聚合物；再经酸掺杂，得到苯胺绿盐是绿色导

电的聚合物；如果苯胺绿碱全部被氧化，则得到不能导电的聚对苯亚胺碱。用聚苯胺

3

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制造传感器、电池、电容器等具有非常稳定的化学性质。不容易发生化学变化。在酸

性水溶液中，苯胺单体通过化学氧化或电化学氧化得到绿色的聚苯胺，可用于制备传

感器、电池、电容器等器件是因为他们拥有非常好的导电性能，具有优良的环境不稳

定性。聚苯胺通过一系列“氧化还原掺杂”处理，导电率提高非常大是因为聚茶胺中掺

杂，聚苯胺在溶剂中的不溶解性和不容易被加工的性能也得到改善。

4

2实验部分

2.1实验试剂和实验仪器

2.1.1实验主要试剂

表1.1实验主要药品

试剂名称规格产地

苯胺分析纯国药集团

盐酸分析纯（37%）国药集团

过硫酸隹CP(98.5%)上海谱振生物科技有限公司

聚乙烯醉I3OOO-23OOO(98%)Sigma-Aldrich

蒸储水实验室自制

丙酮分析纯国药集团

酒精分析纯国药集团

磷酸分析纯国药集团

Cotton东莞美亚无纺布生产厂

PET东莞美亚无纺布生产厂

2.1.2实验主要仪器

表1.2实验主要仪器

仪器名称型号生产厂家

万用表FLUKE15BFLUKE公司

Instron5967拉伸试验机10NINSTRON

扫描电子显微镜JSM-65I0LV日本电子JEOL公司

红外光谱仪VERTEX70布鲁克光谱仪器公司

深圳市兆信电子仪器设备有限

ZF系列正/负直流稳压电源ZF-303D

公司

电化学工作站PGSTAT302瑞士万通

梅特勒-托利多仪器（上海）有

电子天平ML204

限公司

集热式恒温加热磁力搅拌器DF-lOls河南省予华仪器有限公司

数显恒温测速磁力搅拌器HJ-2A江苏晨阳电子仪器厂

LCD数显顶置式强力电子搅

SCILOGEX

拌器

OS40-Pro上海卜耐兹实验仪器设备有限公司

恒温水浴摇床SHA-B江苏晓阳电子仪器厂

玻璃干燥相210mm祁阳县欧亚玻璃仪相有限公司

5

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2.2PET/PANI导电纤维的制备（配方1）

图2.2PET/PANI导电纤维的制备

（1）首先取PET纤维缠绕在塑料线圈上。

（2）配置imol/L的HCI：戴手套取20mL37%的浓盐酸加入220mL的蒸储水中，

混合均匀,得到lmol/L的HCL

（3）配置0.3mol/L的苯胺溶液：称取1.3970g苯胺于烧杯中，加入1mol/L的HC1

溶解，将溶液转移到50mL容量瓶中，继续滴加lmol/L的HC1至50mL刻度处，振荡,

混合均匀。

（4）配置0.15mol/L的过硫酸镀溶液：称取1.7120g的过硫酸铁倒入烧杯中，加

入1mol/L的HCI溶解,将溶液转移到50mL容量瓶中，继续滴加1mol/L的HC1至50mL

刻度处，振荡，混合均匀。

（5）把线圈置于乙醇中进行超声15min,取出等乙醇挥发后，置于酒精中进行超

声15min,取出等酒精挥发，将超声后的线圈置于茶胺溶液中。

（6）聚合反应：将苯胺溶液贴上标签，置于（）~5℃的冷冻恒温水浴振荡器中，振

荡，在低温条件下缓慢滴加过硫酸镀溶液（0.15mol/L的过硫酸钱溶液滴到0.3mol/L苯

胺溶液中），滴加20min左右，滴完后重新密封，振荡24h,收取样品。

6

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2.3Cotton/PANI导电纤维的制备（配方2）

苯胺单体（H*）

图2.3Cotton/PANI导电纤维的制备

（1）首先取Cotton纤维缠绕在塑料线圈上。

（2）配置镀聚茶胺的A液：戴手套分别取0.5mol的茎胺单体溶液，Imol的浓盐

酸和1体积的去离子水倒入500ml的烧杯中摇匀得到A液。

（3）配置镀聚苯胺的B液：分别取Imol的过硫酸铉固体和Imol的盐酸溶液倒入

100ml的烧杯中搅拌使得过硫酸彼完全溶解得到B液。

（4）把线圈置于乙醇中进行超声15min,取出等乙醇挥发后，置于酒精中进行超

声15min,取出等酒精挥发，将超声后的线圈置于笨胺溶液中。

（5）将线圈置于A液中并密封烧杯口，在将烧杯放到摇床上震荡2个小时，使得

Cotton与A液充分接触。

（6）聚合反应：将苯胺溶液贴上标签，置于（）〜5℃的冷冻恒温水浴振荡器中，振

荡，在低温条件下缓慢滴加过硫酸镂溶液，滴加30min左右，滴完后重新密封，振荡

24h,取样。

2.4有机电化学晶体管制备

2.4.1电解质的制备

称取PVA颗粒1g,放于圆底烧瓶，并加入5g去离子水和1~2颗磁石，同时滴加

IgH3P04溶液，温度设定在85℃,并用磁力搅拌2~3h后得到一种透明粘态磷酸的固

体电解质。

2.4.2有机电化学晶体管制备

PET/PANI或Cotton/PANI导电纤维晶体管的制备流程图如图2.3所示：

取在原位聚合聚苯胺制备的PET/PANI或Cotton/PANI导电纤维两根，每根长度约

3-4cnio将其一根PET/PANI或Cotton/PANI导电纤维置于玻璃板、塑料板等平面基底

上，在其中间处滴加步骤（241）制备的液体电解质一滴，放入通风橱，待其稍微干

7

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后，继续滴加固体电解质一滴，反复3-4次后，将另一根PET/PANI或Cotton/PANI导

电纤维中间处放入上述滴加固体电解质后的PET/PANI或Cotton/PANI导电纤维上呈交

义型，两根导电纤维不能有所接触否则会影响实验结果，同时滴加固体电解质一滴，

同样待其稍微干后，继续滴加一滴固体电解质，待其干后，在两根PET/PANI或

Cotton/PANI导电纤维的三极涂上银浆，即源极（S极）、栅极（G极）和漏极（D极）,

图2.4为PET/PANI导电纤维晶体管的实物图。

A

G

S/.D

图2.4PET/PANI导电纤维晶体管

2.5PET/PANKCotton/PANI纤维表面形貌研究

扫描电子显微镜简称扫描电镜，是研究固体样品表面形貌的专用仪器。它利用扫

描线圈把聚焦得到的非常细的高能电子束在样品表面上扫描，激发出二次电子、反射

线电子、吸收电子、x-射线、俄歇电子、阴极发光和透射电子等各种物理信号。通过

相应的接收器接收这些信息、经放大后送到显像管显示成像，通过观察图像就可以了

解到样品的表面形貌。由于扫描电镜具有很大的景深，因此可将样品凹凸不平的表面

显示的很清晰，且具有立体感。

本实验中我们将待测试样PET/PANI或Cotlon/PANI分别取1cm用导电胶粘在电镜

台上，用日本电子JEOL公司的JSM-6510LV扫描电子显微镜分别观察10（）（）倍和3000

倍下的表面形貌并拍照。

2.6PET/PANI、Cotton/PANI纤维表面结构分析

红外光谱分析技术是利用有机化学物质在红外光谱区的光学特性，快速检测样品

中一种或几种化学成分、含量来表征材料中所带的基团。我们可以通过红外光谱中特

征峰的位置来判断材料带有哪些基团，从而从侧面证明材料种类以及复合材料是否复

合成功。

红外光照射高分子复合材料时，分子中的化学键或官能团能出现生吸收峰，不同

的化学键或官能团吸收峰不同，在红外光谱上的位置也不一样，从而能够知道高分子

复合材料中包含哪些化学谗或官能团.

8

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本实验利用TENSOR27傅里叶红外光光谱仪分别对PET和PET/PANI或Cotton和

Cotton/PANI的纤维表面基团进行ATR-FTIR表征，扫描次数设定在64次。

2.7PET/PANLCotton/PANI纤维导电性能分析

将PET/PANI或Cotton/PANI线固定于有刻度的白纸上，用万用表分别测定0.5cm、

1.0cm、1.5cm、2.0cm>2.5cm、3.0cm所对应的阻值（注意:用万用表测量的时候,接

触头要充分接触到PET/PANI或Couon/PANI线，选择合适的量程，其阻值一般波动很

大，等到阻值稳定再记录其阻值）。测试1（）组以上，选取10组作为实验结果（可能有

个别阻值差别很大，可选择除去）。

2.8PET/PANLCotton/PANI纤维机械性能分析

拉伸强度，是指在规定的实验温度、湿度下，试样在拉伸过程中，沿拉伸方向所

能承受的最大应力，断裂伸长率是试样被拉断后，试样拉伸过程中拉伸部分的长度与

试样的原来长度的比值。拉伸强度按式（5）计算，最大伸长率按式（6）计算，拉伸

强度按（7）计算：

式（5）

三nr

三工

100%式（6）

L。

模量皿凤）=纤蠹葭工

式（7）

其中为复合材料拉伸强度，单位为;P为试样断裂前所能承受的最大荷载，单位为

N；r为纤维的半径，单位为cm；的复合材料的断裂伸长率，无量纲；为测试试样的原

始长度，单位为cm；L为测试断裂后长度，单位为cm。

本实验考虑到是纤维且不适于长纤维测量，用Instron5967拉伸试验机测试反应前

后的拉伸强度的变化，PET/PANI或Cotton/PANI纤维纤度为133.3dtex,15.1texo纤维

测试长度为25mm,拉伸速率为20mm/min。每根纤维样品测试3次，取平均值。

9

3结果与讨论

3.1微观结构SEM的研究和讨论

图3.1配方1的导电纤维电镜图

上面部分的图是由配方1镀聚苯胺得到的Cotton导电纤维的电镜图，图a是Collon

的电镜图，从图a中可以清楚的看出Cotton的转曲性质，而且Cotton的表面还有许多

点状的物质，这是可能由于操作的过程中由于人为不可避免的因素导致的；图b是

Cotton/PANl的电镜图，从图b中可以看到Cotton纤维表面有明显的的颗粒状物质附着

在上面，且附着不是很均匀，有些地方有，有些地方没有。图c是图b的某•部分的

纺大图，从图可以看出聚苯胺是呈颗粒状的附着在Cotton纤维的表面或是在两个纤维

之间的空隙位置。且形状不是很规则。下面部分的是PET用配方1镀聚苯胺得到的PET

导电纤维的电镜图，图d是PET的电镜图，从图可以看出PET的表面相对光滑，没有

Cotton表面的粗糙物质；图e是PET/PANI的电镜图，从图可以看出，有部分的PET

上面附着有颗粒状物质，有部分的PET纤维上什么都没有。图f是图e的部分放大图，

可以看出聚苯胺是呈块状的附着于PET上，且分布不均匀。综合起来分析，可以得出

Cotion上面的聚苯胺比PET上面的聚苯胺更多，而且分布也比PET上面的均匀，这是

由于Cotton表面的亲水性基团比PET上面的多，同时也可以得出配方1镀聚苯胺的方

法更适用于Cotton纤维。

10

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图3.2配方2镀聚苯胺的导电纤维电镜图

图a是原Cotton纤维的电镜图，有自转曲的特性，这是Cotton纤维的特有性质。

图g是用配方2镀聚苯胺得到的Colton/PANI导电纤维的电镜图，可以看出，在纤维的

表面只有很少的聚苯胺附着在上面且分布不均匀。图h是图g的局部放大图，从图可

以看出聚茶胺呈块状附着于Cotion纤维的间隙之间。图d是原PET的电镜图，从图可

以看出原PET纤维表面光滑，没有丝状物质相互缠绕。图m是PET/PANI导电纤维的

电镜图，从图可以看出附着在PET纤维表面的聚苯胺明显多于Cotton的，而且基本上

PET纤维与纤维之间没有聚苯胺。图n是图m的局部放大图，从图可以看出聚苯胺大

量的附着在PET纤维的表面，且分布比较均匀。综合对比可以得出配方2更适合于PET

纤维的镀聚苯胺。

纵向比较上下两个图可以得出，复合纤维的结构大致为皮芯层，即在PET或Cotton

纤维的表面以及纤维丝束之间的缝隙里附着大量的导电材料聚苯胺。这种复合结构既

能大大增加接触面积，也能最大限度地镀上导电材料，并降低生产的费用。从图中明

显可以看到最初的Cotion是许多根纤维丝束缠在一起，多缝隙且纤维表面不光滑。而

Cotton在A液中震荡混合2h后，明显苯胺以颗粒状形态渗入Cotton表面，并很牢固

的附着在纤维接触表面和丝束间的缝隙中，大大增加了纤维表面的比表面积，并连接

起纤维各丝束使纤维更加紧密。可以预见，在镀聚苯胺过程中，该结构能大大促进聚

苯胺在尼龙表面的附着，从而影响复合材料的导电性能。同时对比PET/PANI和

Cotlon/PANI的电镜图可以发现，没有在摇床上震荡，聚苯胺还是按照之前的模式附着

在纤维表面，但是由于PET纤维表面光滑，且PET本身就缺少活性基团，不利于镀聚

苯胺的过程，从而使得反应后的复合材料明显表面附着的导电物质少，旦多为颗粒状

附着，丝状物短，且纤维丝条之间仍是很多缝隙，聚苯胺并没有附着浸入。

II

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3.2红外光谱分析

s

E

r

l

a

o

u

e

n」

qs

/\

2400200016001200800

Wavenumbe^cm'1)

图3.3PET的红外光谱图

图3.3分别是PET和PET/PANI纤维的红外光谱图，从PET纤维的红外光谱图的

吸收峰分别在1708.88cm-1,1404.14cm-1,1232.48cm-1,1085.89cm-1等处,可以得出

其中1708.88cm-1处为锻基C=0的振动吸收；1232.48cm・l、1085.89cm-1处为酯键的

振动吸收；1404.14cm-l处为芳环的振动吸收。在PET/PANI的红外光谱图中可以看出

吸收峰在2356.95cm-1处的是苯环上的N-甲基的震动吸收。因为有体现出聚茶胺的特

征峰，从而推断出PET表面已经原位聚合了聚苯胺c

s

=

u

n

a

o

U

B

J

n

s

q

v

36003200280024002000

Wavenumber(cm1)

图3.4Cotton的红外光谱图

图3.4分别是Cotton和Colton/PANI纤维的红外光谱图，从Cotton纤维的红外光

谱图的吸收峰分别在3400cm-1和2900cm-1处，可以看出其中3275.04cm-1处为钺基

H-O的伸缩震动：2912.43cm-1处为C-H的伸缩震动：在Cotlon/PANI的红外光谱图中

12

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可以看出吸收峰在2356.95cm-l处的是苯环上的N-甲基的震动吸收。因为有体现出聚

苯胺的特征峰，从而推断出Cotton表面已经原位聚合了聚苯胺。

3.3导电性能

下表是测试CottonTANI导电纤维不同长度的的电阻值，每相同长度的

Cotton/PANI导电纤维测十组数据，然后取平均值。得到数据如下表3.1：

表3.1Cotton/PANI（配方1）的电阻值（kC）

编号0.5cm1cm1.5cm2cm2.5cm3cm

166.2120.2152181.3210.3240.7

255.691.5130.6176.5208.4230.7

354.7113.8146.6174.9202.6229.7

445.590.8120.3169.7196.5233.4

550.8108.8147.7189.7206.4242.6

663.7125.6150.6191.6222.3253.5

756.5117.8149.3185.6217.4247.7

852.4120.6145.5173.4203.8234.6

947.7117.5151.8182.4208.5256.4

1059.9124.6139.4169.5199.8235.3

平均值18.840.4354.6865.3280.6393.65

下表是测试PET/PANI导电纤维不同长度的的电阻值，每相同长度的PET/PANI导

电纤维测十组数据，然后取平均值。得到数据如下表3.2：

表3.2PET/PANI（配方1）电阻值（kC）

编号0.5cmIvin1.5cm2cm2.5um3un

1152.8113152.9243.9291.1438.2

2162.1108.3163.9260.4328.3380.7

390.2170.9153.3120.1315.7327.1

498.3182.1132.7245.3350.3370.5

550.887.9122.6250.9334.8479

675.981.5145.4189.5231.8384

727.3592167.6265.8376.1428.2

836.34128.3192.5275.4353.3291.4

983.6180.6150.7162.8224.3380.5

1060.2168.4203.1232247.6370.7

平均值16.6250.4080.76116.20143.40180.50

实验过程中所用的PET或Cotton纤维本身几乎是不导电的，导电性可忽略不计。

在镀上聚苯胺导电材料后，其复合材料就有了一定的导电性能，由于其纤维结构的特

殊性，在试验过程中造成的影响将在后面的内容中一一讨论。用万用表测量一定距离

导电复合纤维的电阻，很容易就计算出复合纤维的电导率，但是考虑到实验过程造成

复合纤维的均匀性不一，从而得到统一的横截面积或半径很难。但是多次实验平均下

来的数据也保证了变量的稳定性，即保证除电阻值之外的其他量的稳定。因此为了简

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便表征，本实验都以电阻值来反映产物导电性能的好坏。电导率与电阻成反比，即测

得的电阻值越大，其电导率越差。由于PET或Cotton纤维本身是不导电的，电阻值接

近为无限大，而从上表很容易看出，镀上聚苯胺后的纤维电阻值大大减小，按照本实

验步骤制备的复合纤维电阻值近似为lOkQAm］，在通常的导电聚合物应用中，算是很

不错的导电性能，能在很多精小零件中得到应用，如接下来将要讲到的有机电化学品

体管中的应用。为了直观的显示其差异性，实验将所测的数据进行了散点分析，如下

图3.5：

200

160

G120

x

)

3

3

u

e

】80

_s

3s

Ql

4U

00051.01.5202.53.0

Length（cm）

图3.5两种导电纤维（配方I）电阻值散点分析图

由图可看出，两种导电纤维阻值会随着长度增加也会有明显的增大，并且有所波

动，波动原因主要一是因为聚苯胺镀的不够均匀，造成粗细不一样，其阻值也不同，

二是测试所用棉线在用万用电表时触头不均匀，也会造成阻值大小的不均匀，或者测

试同一条线时，次数过多，使镀在纤维上的聚苯胺有所脱落，不过其波动幅度不算太

大，都在一定范围之内，图像也有呈现出一定的规律，可以作为实验的参考工

PET/PANI（配方2）的电阻测试数据如下表：

表3.3PET/PANI（配方20）电阻值（kQ）

编号0.5cm1cm1.5cm2cm2.5cm3cm

I1.0085.3617.9238.271.972.6

20.7269.3816.6413.2687.353.6

30.7335.8219.8620.6668127.3

40.7467.8116.3319.3748.7106.7

50.8184.6814.9721.6872.575

62.0266.2315.8221.7562.3127.2

72.3786.9710.7225.2282.624.36

83.749.3817.6522.6893.629.86

92.8056.4218.6823.6867.5155.9

101.7367.4114.321.6486.567.4

平均值2S,7341.62S3.2371.7.084.2496.45

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Cotton/PANI（配方2）的电阻测试数据如下表：

表3.4Cotton/PANI（配方2）电阻值（kQ）

编号0.5cm1cm1.5cm2cm2.5cm3cm

121243260385711001328

219641367688711941371

320148370897311921385

429952678196511931387

523149971096411491435

631948775389111541409

723154663294511391485

824946373292612631513

9237507674103812931633

10292482820105913421534

平均值40.2663.481.5110.67125.45148.54

图3.6两种导电纤维（酿方2）电阻值散点分析图

从散点图可以明显的判断，在纤维长度相同的情况下，Cotlon/PANI纤维的导电复

合纤维的电阻值要小于PET/PANI纤维的复合纤维，图形的跨度实际上差别是很大的，

其具体电阻值可以按照上表对比。分析其原因，猜想是因为本身不导电的Cotton或PET

纤维镀上了聚苯胺而得到了导电性。因此，导电纤维聚苯胺的附着情况很大程度上决

定了导电纤维的导电性。而原本的Cotton纤维镀的聚苯胺比PET纤维镀的聚苯胺要多

很多，因此，Cotton/PANI电阻值要明显小于PET/PANI电阻值。

3.4拉伸性能

下图是原Cotton纤维和用不同的配方镀聚苯胺的Cotton纤维的拉伸测试结果如下

图3.7

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图3.7不同配方的Cotton/PANI导电纤维的拉伸谱图

由上述图可以观察原样Cotton的抗拉伸性能最好，Cotton/PANI（配方1）次之，

Cotton/PANI（配方2）的抗拉伸性能最差。由于导电聚苯胺的机械性能很差，镀在Cotton

表面上的聚苯胺导致cotton的机械性能随之下降，且随着镀上的聚苯胺的量的逐渐增

加，棉线的机械性能下降的程度也会随之增加，所以Cotton/PANI（配方2）的抗拉伸

性能最差。其中还可能存在的原因是因为镀上聚苯胺时，需先将棉线缠绕于塑料圈齿

缝间，造成棉线部分损耗或割伤等情况，所以拉伸强力降低。但是这个原因相比上一

条可以忽略之。三种试样的抗拉伸性能的递减说明了他们镀上聚苯胺的量在增加，所

以在应用方面要严格控制聚苯胺的浓度，不能为了提高其导电性能而使聚苯胺的量太

多，致使其机械性能下降而影响其使用。

下图是用不同配方镀聚苯胺得到的PET/PANI导电纤维的拉伸测试结果如下图3.8

所示：

图3.8PET/PANI导电纤维的拉伸谱图

由上述图可以观察PET/PANI（配方1）比PET/PANI（配方2）的抗拉伸性好。这是

因为实验法的镀聚苯胺的溶度较小，镀在PET上的聚苯胺较少，抗拉伸性较好，反过

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来说就是镀聚苯胺导致PET的机械性能下降，抗拉伸性减小。

如果上下两个图比较，会发现PET的形变量比Cotton大,也就是PET的抗拉伸性

比Cotton的抗拉伸性好，这是由于材料的本质不同，材料的机械性能也就不同。

3.5有机电化学晶体管的测试

3.5.1输出曲线

下图是PET纤维用配方1镀聚苯胺得到的PET/PANI导电纤维制成的晶体管测试

输出曲线如下图3.9：

图3.9Vg=0V-1.0V输出曲线

如图3.9是PET/PANI导电纤维制成的晶体管在不同的Vds下，Vds-Ids输出曲线

图，从上至下Vg电压依次为OV、0.1V、0.2V,0.4V、0.8V可以看出明显的线性区和

饱和区，且按照栅极电压的作用逆向通电而平缓递减。从图中可知，当栅极电压为0V

时，沟道电流阈值近似为0.0012A,是比较适合用于二极管等微量电流通量的应用，足

以引起器件的响应。并且图中不同栅极电压都能显示出明显的平台区，也表征了材料

导电的稳定性，是导电材料应用的极重要的性质。

下图是Cotton纤维用配方2镀聚苯胺得到的Cotton/PANI导电纤维制成的晶体管

测试输出曲线如下图3.10：

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图3.10Vg=0V-0.9V输出曲线

如图是Cotton/PANI导电纤维制成的晶体管在不同的Vds下，Vds・Ids输出曲线图,

从上至下Vg电压依次为OV、0.4V、0.5V、0.6V、0.8V、0.9V、1.0V、1.2V、1.6V可

以看出明显的上升区和饱和区，且按照栅极电压的作用逆向通电而平缓递减。从图中

可知，当栅极电压为0V时，沟道电流阈值近似为0.0016A,是比较适合用于二极管等

微量电流通量的应用，足以引起器件的响应。而且此图的起点也大致在同一个起点，

说明没有漏电流，这同时也证明Cotton/PANI导电纤维比PET/PANI导电纤维更适合用

于制造有机电化学晶体管。在今后的研究中也可以着重于偏向这方面。

3.5.2转移曲线

图3.11PET/PANI导电纤维晶体管的转移曲线

图3.11是由PET/PANI导电纤维制成的有机电化学晶体管测出输出曲线后得到的

转移曲线，从此图可以看出，此图的转移曲线并不好，它只