聚吡咯聚多巴胺ppypda導(dǎo)電滌綸氨綸織物的制備與應(yīng)變傳感性能

聚吡咯聚多巴胺ppypda導(dǎo)電滌綸氨綸織物的制備與應(yīng)變傳感性能

近年來(lái)，隨著生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越重視生活的舒適度和身體健康，對(duì)智能設(shè)備的需求也越來(lái)越多。導(dǎo)電織物由于其可變的電學(xué)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(yīng)用時(shí)易于彎曲折疊，且變形后恢復(fù)能力較強(qiáng)，完全可以滿足人體日常運(yùn)動(dòng)的要求，這些優(yōu)點(diǎn)使其成為柔性傳感器的極佳載體隨著導(dǎo)電織物被作為傳感元件，其拉伸應(yīng)變過(guò)程中的問(wèn)題也慢慢顯現(xiàn)出來(lái)，在應(yīng)變過(guò)程中，其導(dǎo)電層易受到破壞并脫落，從而導(dǎo)致導(dǎo)電性急速下降，影響傳感器的使用壽命多巴胺(簡(jiǎn)稱DA)是一種具有鄰苯二酚結(jié)構(gòu)的胺類分子，它有類似貝類黏蛋白的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，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(dǎo)電層與基底的黏附性，得到聚吡咯/聚多巴胺(PPy/PDA)導(dǎo)電滌綸/氨綸織物。通過(guò)提高基底和聚吡咯的結(jié)合牢度，改善織物傳感器的穩(wěn)定性。同時(shí)制備的PPy/PDA導(dǎo)電滌綸/氨綸織物具有高靈敏度，可作為傳感器元件應(yīng)用于人體康復(fù)訓(xùn)練和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等方面。1實(shí)驗(yàn)部分1.1實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)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?lè)阶铚y(cè)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(jī)械有限公司;M-6型手持式四探針?lè)阶铚y(cè)試儀，泉州鋒云檢測(cè)設(shè)備有限公司;KTC靈敏度測(cè)試盒，江南大學(xué)針織技術(shù)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(guó)賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司;E43型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))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(zhì)，去離子水清洗后60℃烘干。采用真空等離子體設(shè)備(220W)對(duì)烘干后的織物進(jìn)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(zhì)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電織物的制備方法，得到聚吡咯/聚多巴胺導(dǎo)電織物。清洗:反應(yīng)結(jié)束后將織物取出，先用20%的乙醇溶液洗除導(dǎo)電織物表面不牢固沉淀物，然后用去離子水反復(fù)沖洗直至洗出液澄清，在60℃下烘干。在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室(溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為65%±2%)平衡24h后，待測(cè)。對(duì)得到的試樣進(jìn)行編號(hào)如表1所示。1.3測(cè)試和性能1.3.1織物表面電鏡觀察將試樣剪成小塊，用導(dǎo)電膠將試樣固定在試樣臺(tái)上，測(cè)試前先將試樣進(jìn)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(duì)不同試樣表面的官能團(tuán)進(jìn)行表征。將織物試樣放在測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行樣品采集，測(cè)試范圍為4000～500cm1.3.3變異系數(shù)cv值使用四探針測(cè)試儀測(cè)試試樣方阻，分別取五點(diǎn)測(cè)試，以5個(gè)點(diǎn)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(cè)定第2部分:試樣破損的測(cè)定》，使用馬丁代爾儀對(duì)試樣導(dǎo)電層的牢度進(jìn)行測(cè)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(yīng)變傳感性能測(cè)試將制備的試樣沿縱向剪成1cm×6cm的長(zhǎng)條用于傳感性能測(cè)試，采用絕緣膠將導(dǎo)線固定在樣品兩端，將被測(cè)樣品的兩端夾持在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上，有效測(cè)試距離為5cm，另一端與KTC測(cè)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(biāo)之一，當(dāng)織物被拉伸時(shí)，試樣內(nèi)部的導(dǎo)電通道改變，其電阻值會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。本文測(cè)試了試樣從0%應(yīng)變到100%的電阻變化情況。靈敏度G式中:ε為應(yīng)變;R為拉伸狀態(tài)下的電阻;R測(cè)試聚吡咯/聚多巴胺導(dǎo)電滌綸/氨綸織物在拉伸儀上以50%的應(yīng)變反復(fù)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(guān)系，用δ表示穩(wěn)定性。δ越小說(shuō)明傳感器的穩(wěn)定性越好，其計(jì)算公式為式中:ΔR2結(jié)果與討論2.1滌綸/氨綸織物的表征不同反應(yīng)條件下導(dǎo)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(guò)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(dǎo)電滌綸/氨綸織物;圖1(e)為聚吡咯/聚多巴胺導(dǎo)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(duì)試樣0由圖2可見(jiàn)，1094和1713cm2.3行表征結(jié)果為研究多巴胺改性對(duì)聚吡咯導(dǎo)電性能的影響，采用四探針電阻測(cè)試儀對(duì)試樣的表面方阻和變異系數(shù)進(jìn)行表征，結(jié)果如表2所示。PPy導(dǎo)電滌綸/氨綸織物的導(dǎo)電性能高于PPy/PDA導(dǎo)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(huì)阻斷PPy聚合物鏈之間的電子轉(zhuǎn)移，因此導(dǎo)電織物整體方阻稍有增加，但沒(méi)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(yīng)變?cè)嚇拥碾娮璺€(wěn)定性采用圖5所示KTC測(cè)試盒和萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)試樣2圖6所示為試樣的應(yīng)變-電阻變化曲線，試樣在0%～100%的應(yīng)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(shì)基本相同，這是由于應(yīng)變時(shí)試樣的電阻變化主要源自聚吡咯導(dǎo)電層的斷裂變形引起的導(dǎo)電通路變化，PDA的加入僅增加了基底與導(dǎo)電層的結(jié)合牢度，并未改變其導(dǎo)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(jìn)一步論證PPy/PDA導(dǎo)電滌綸/氨綸織物作為應(yīng)變傳感器的可行性，選用3當(dāng)手指保持伸直狀態(tài)時(shí)，織物傳感器的電阻變化為0，當(dāng)手指在45°反復(fù)彎曲時(shí)，織物傳感器經(jīng)歷伸長(zhǎng)—回復(fù)—伸長(zhǎng)的變化過(guò)程，從而引起電阻變化3導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電滌綸/氨綸織物的導(dǎo)電均勻性。2)通過(guò)耐磨性的測(cè)試可得出，聚