織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)聚吡咯導(dǎo)電織物導(dǎo)電性的影響

李惠芝，莊勤亮，徐 原

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)聚吡咯導(dǎo)電織物導(dǎo)電性的影響

李惠芝1，莊勤亮1，徐 原2

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

以針織物、機(jī)織物、非織造布為研究對(duì)象，經(jīng)聚吡咯氣相沉積方法制備導(dǎo)電織物，分別探討了紗線線密度、織物密度、織物組織、織物面密度對(duì)織物導(dǎo)電性的影響規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明：在織物組織相同的情況下，針織物的紗線線密度或織物密度越大，其導(dǎo)電性越好；當(dāng)紗線線密度在一定范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)織物的紗線線密度越大，其導(dǎo)電性越好，但當(dāng)紗線線密度過(guò)大時(shí)其導(dǎo)電性反而有所下降；機(jī)織物密度越大，其導(dǎo)電性越好；改變機(jī)織物組織結(jié)構(gòu)時(shí)，縐組織、8/3緯面緞紋、蜂巢組織織物的導(dǎo)電性有所不同；非織造布的面密度越大，其導(dǎo)電性越好.

織物結(jié)構(gòu)參數(shù)；聚吡咯導(dǎo)電織物；紗線線密度；織物密度；織物組織；織物面密度

近年來(lái)，聚吡咯由于易合成、導(dǎo)電性好、環(huán)境穩(wěn)定性優(yōu)異以及低毒等特性[1]，成為制備導(dǎo)電紡織品的首選材料.聚吡咯導(dǎo)電織物可用于開(kāi)發(fā)抗電磁干擾、吸收微波、抗靜電材料以及柔性傳感器[2].此外國(guó)外目前正在進(jìn)一步研制具有導(dǎo)電梯度分布的紡織材料，可用于柔性可變電阻，以滿足智能服裝功能開(kāi)發(fā)的需要.文獻(xiàn)[3]曾采用含有化學(xué)還原劑的溶液處理聚吡咯織物得到了具有導(dǎo)電梯度分布的紡織材料，其梯度是通過(guò)控制化學(xué)溶液中還原劑的濃度、處理織物的時(shí)間和溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的.此方法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)織物本身不構(gòu)成破壞，但由于其導(dǎo)電性控制涉及多個(gè)方面，其精度控制還有待進(jìn)一步研究.文獻(xiàn)[4]則采用高壓水槍沖擊經(jīng)液相化學(xué)聚合法制得的聚吡咯導(dǎo)電織物，制備出了具有導(dǎo)電梯度分布的紡織材料.此方法是利用高壓水流的沖擊作用將織物上部分區(qū)域的聚吡咯除去，使織物表現(xiàn)出電阻的各向異性，達(dá)到制備梯度電阻織物的目的.其優(yōu)勢(shì)在于可根據(jù)導(dǎo)電性的需求自由設(shè)計(jì)一定的導(dǎo)電梯度，但對(duì)織物會(huì)造成某種程度的損害，對(duì)于織物的后期使用會(huì)產(chǎn)生一定的影響.

在國(guó)外開(kāi)發(fā)聚吡咯柔性可變電阻的理論基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)對(duì)此也進(jìn)行了一定的探索.文獻(xiàn)[5]采用腈綸緯平針織物為基布，分別以醫(yī)用膠帶貼片、塑料膠帶貼片和甲基環(huán)己烷鈦白粉(涂改液)進(jìn)行規(guī)律性的貼覆處理，再以低溫低壓氣相法合成制得聚吡咯柔性可變電阻，但此種方法在梯度精度控制上有待進(jìn)一步研究.此外，其又以針織物的結(jié)構(gòu)變化為基礎(chǔ)，采用移圈、改變編織時(shí)墊入織針的紗線數(shù)量、改變參加編織的織針數(shù)量制備了結(jié)構(gòu)具有明顯梯度變化特點(diǎn)的基布材料，再以低溫低壓氣相法合成制得聚吡咯柔性可變電阻.此方法利用織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化制成了一體化的具有導(dǎo)電梯度分布的紡織材料，其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)織物本身不造成損害，具有一定的可行性，但其在梯度精度控制上還有待進(jìn)一步的研究.

結(jié)合國(guó)內(nèi)外制備導(dǎo)電梯度織物的方法，利用織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化制備導(dǎo)電梯度織物具有一定的借鑒性.對(duì)于其梯度精度的控制可以從織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，紗線原料、線密度、密度的配置和紗線的交錯(cuò)情況都是織物結(jié)構(gòu)的參數(shù)[6].針織物、機(jī)織物和非織造布是3種不同類型結(jié)構(gòu)的織物，隨織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，織物的結(jié)構(gòu)變化有所不同，由此在經(jīng)過(guò)聚吡咯氣相沉積后所得織物的導(dǎo)電性也有所不同，因而具有開(kāi)發(fā)柔性可變電阻的可行性.本文以各種結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的針織物、機(jī)織物及非織造布為基布，利用聚吡咯氣相沉積法制備導(dǎo)電織物，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)織物導(dǎo)電性的影響，由此探討通過(guò)織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化制備柔性可變電阻器的可行性.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)方法

聚吡咯導(dǎo)電織物的制備主要有電化學(xué)氧化法、液相化學(xué)聚合法和氣相化學(xué)聚合法[7].氣相化學(xué)聚合法制得的導(dǎo)電織物表面光滑、結(jié)構(gòu)緊密，具有良好的導(dǎo)電性[8]，所以本文選用氣相化學(xué)聚合法制備導(dǎo)電織物.

1.2 試驗(yàn)步驟

1.2.1 織物試樣結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇

在織物組織相同的情況下，通過(guò)改變織物所用的紗線線密度或織物密度得到具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的針織物，其具體工藝參數(shù)如表1所示.

表1 針織物試樣的工藝參數(shù)Table 1 The process parameters of knitted fabric samples

在織物組織和密度相同的情況下，通過(guò)采用不同粗細(xì)的滌綸網(wǎng)絡(luò)絲得到具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)織物，其具體工藝參數(shù)如表2所示.在紗線線密度相同的情況下，分別通過(guò)改變織物的密度或織物組織，得到具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)織物，其具體工藝參數(shù)如表3所示.

表2 滌綸網(wǎng)絡(luò)絲機(jī)織物試樣的工藝參數(shù)Table 2 The process parameters of polyester network yarn woven fabric samples

表3 滌綸短纖紗機(jī)織物試樣的工藝參數(shù)Table 3 The process parameters of polyester staple yarn woven fabric samples

在選用的原料和生產(chǎn)方法相同的情況下，通過(guò)控制織物的面密度得到具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的非織造布，其具體工藝參數(shù)如表4所示.

表4 非織造布試樣的工藝參數(shù)Table 4 The process parameters of nonwoven fabric samples

1.2.2 織物試樣的準(zhǔn)備

將試樣裁剪成6cm×6cm，在65℃的3g/L的氫氧化鈉溶液中煮練3h，去除雜質(zhì)后取出晾干.將晾干后的試樣依次在0.01mol/L的十二烷基苯磺酸鈉溶液和0.3mol/L的氯化高鐵溶液中浸漬1h，取出晾干.

1.2.3 試樣的合成

將試樣置于如圖1所示的合成反應(yīng)裝置中，在-21℃的真空環(huán)境下進(jìn)行合成，反應(yīng)5h后取出，得到聚吡咯導(dǎo)電織物[5].

圖1 合成反應(yīng)裝置示意圖[5]Fig.1 Apparatus for vapor-deposition polymerization

1.3 織物導(dǎo)電性能的測(cè)試

用表面比電阻作為衡量織物導(dǎo)電性的物理量.用DT-830B型精密萬(wàn)用表測(cè)出表面電阻RS，由實(shí)測(cè)表面電阻RS按下式計(jì)算表面比電阻ρS[9].

式中：RS為放在材料表面上的兩電極間材料的表面電阻(Ω)；L為電極的寬度(cm)；b為電極間的距離(cm).

2 結(jié)果與分析

在織物進(jìn)行聚吡咯氣相沉積時(shí)，吡咯單體一方面通過(guò)與纖維內(nèi)部的摻雜劑反應(yīng)形成聚吡咯摻雜在纖維內(nèi)部，另一方面通過(guò)與纖維表面的摻雜劑反應(yīng)沉積在纖維表層，因此，織物的面密度與織物的導(dǎo)電性有密切的關(guān)系[10].另外，在聚吡咯導(dǎo)電織物中，針織物的電阻變化與導(dǎo)線的接觸電阻和導(dǎo)線長(zhǎng)度有關(guān)[11].通過(guò)改變織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如織物的紗線線密度、織物密度和組織都會(huì)改變織物面密度及導(dǎo)電織物中的接觸電阻和導(dǎo)線長(zhǎng)度，由此改變織物的導(dǎo)電性.機(jī)織物、針織物和非織造布作為3種不同成型方式的織物，其導(dǎo)電性隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化都具有其各自的特點(diǎn).

2.1 聚吡咯導(dǎo)電織物顯微鏡觀察結(jié)果

將氣相化學(xué)聚合法制得的聚吡咯導(dǎo)電針織物、機(jī)織物及非織造布分別置于KH-1000型數(shù)字式三維視頻顯微測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)，其結(jié)果如圖2所示.

圖2 聚吡咯導(dǎo)電織物顯微鏡觀測(cè)結(jié)果(×40)Fig.2 Microscope observation of polypyrrole conducting fabrics(×40)

由圖2可知，經(jīng)過(guò)聚吡咯氣相化學(xué)聚合法制得的導(dǎo)電針織物、機(jī)織物及非織造布的表面沉積的聚吡咯都較為均勻充分，這也是氣相化學(xué)聚合法制得的導(dǎo)電織物導(dǎo)電性較強(qiáng)的主要原因.

2.2 針織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)織物導(dǎo)電性的影響

經(jīng)過(guò)聚吡咯氣相沉積之后，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的針織物導(dǎo)電性隨織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化如圖3和4所示.

圖3 針織物試樣的導(dǎo)電性隨紗線線密度的變化Fig.3 The electrical conductivity of knitted fabric samples changes with yarn linear density

圖4 針織物試樣的導(dǎo)電性隨織物密度的變化Fig.4 The electrical conductivity of knitted fabric samples changes with fabric density

由圖3可知，在織物組織和密度相同的情況下，紗線線密度越大，針織物的表面比電阻越小，即織物的導(dǎo)電性越強(qiáng).由織物的結(jié)構(gòu)和聚吡咯氣相沉積法的聚合原理分析可知，一方面，在織物組織和密度相同的情況下，增大紗線的線密度會(huì)使織物面密度增大，氣相聚合時(shí)聚吡咯高分子摻雜在纖維內(nèi)部，并吸附在織物的表面，織物面密度越大，纖維內(nèi)部及織物表面吸附的聚吡咯導(dǎo)電分子的數(shù)量也就越多，1#，2#，3#，4#試樣的聚吡咯沉積量分別為0.0113，0.0234，0.0312，0.0381g，依次增大，得到的織物表面比電阻依次減??；另一方面，在織物組織和密度相同的情況下，紗線的線密度越大，則相同面積內(nèi)的紗線間越緊密，織物內(nèi)紗線的接觸點(diǎn)數(shù)越多，得到的織物表面比電阻就越小.

由圖4可知，在織物組織和紗線線密度相同的情況下，織物的縱密越大，其表面比電阻越小，即織物的導(dǎo)電性越強(qiáng).由織物的結(jié)構(gòu)和聚吡咯氣相沉積法的聚合原理分析可知，一方面，在織物組織和紗線線密度相同的情況下，增大織物的縱密，會(huì)使織物面密度增大，氣相聚合時(shí)聚吡咯高分子摻雜在纖維內(nèi)部，并吸附在織物的表面，織物面密度越大，纖維內(nèi)部及織物表面吸附的聚吡咯導(dǎo)電分子的數(shù)量也就越多，5#，6#，7#，8#試樣的聚吡咯沉積量分別為0.0101，0.0155，0.0175，0.0216g，依次增大，得到的織物表面比電阻依次減??；另一方面，在織物組織和紗線線密度相同的情況下，織物的縱密越大，線圈長(zhǎng)度越短[7]，且相同面積內(nèi)的線圈數(shù)越多，即織物電路中的導(dǎo)線越短，紗線的接觸點(diǎn)數(shù)越多，由此織物的表面比電阻值就越小.

2.3 機(jī)織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)織物導(dǎo)電性的影響

經(jīng)過(guò)聚吡咯氣相沉積之后，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)織物導(dǎo)電性隨織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化如圖5～7所示.

圖5 機(jī)織物試樣的導(dǎo)電性隨紗線線密度的變化Fig.5 The electrical conductivity of woven fabric samples changes with yarn linear density

圖6 機(jī)織物試樣的導(dǎo)電性隨織物密度的變化Fig.6 The electrical conductivity of woven fabric samples changes with fabric density

圖7 機(jī)織物試樣的導(dǎo)電性隨織物組織的變化Fig.7 The electrical conductivity of woven fabric samples changes with fabric weave

由圖5可知，在織物組織和密度相同的情況下，紗線線密度增大，機(jī)織物的表面比電阻先隨之減小，到達(dá)一定程度后，又隨之增大.即在一定范圍內(nèi)，紗線線密度越大，織物的導(dǎo)電性越強(qiáng)，紗線線密度到達(dá)一定程度后，導(dǎo)電性又隨之減弱.測(cè)量氣相化學(xué)聚合前后的織物質(zhì)量可知，經(jīng)過(guò)氣相化學(xué)聚合后，9#，10#，11#，12#試樣的聚吡咯沉積量分別為0.0301，0.0355，0.0375，0.0166g.即當(dāng)紗線線密度在11～33tex范圍內(nèi)，紗線線密度越大，試樣增量越大，而當(dāng)紗線線密度增大到50tex時(shí)，試樣增量反而有所減小.由織物的結(jié)構(gòu)和聚吡咯氣相沉積法的聚合原理分析可知，當(dāng)紗線線密度在一定范圍內(nèi)時(shí)，一方面，在織物組織和密度相同的情況下，增大紗線的線密度會(huì)使織物面密度增大，氣相聚合時(shí)聚吡咯高分子摻雜在纖維內(nèi)部，并吸附在織物的表面，織物面密度越大，纖維內(nèi)部及織物表面吸附的聚吡咯導(dǎo)電分子的數(shù)量也就越多，而得到的織物表面比電阻越小；另一方面，在織物組織和密度相同的情況下，紗線線密度越大，則相同面積內(nèi)的紗線間越緊密，織物內(nèi)接觸點(diǎn)數(shù)越多，得到的織物表面比電阻就越小，但當(dāng)織物過(guò)于緊密時(shí)，吡咯氣體無(wú)法與纖維內(nèi)部的摻雜劑反應(yīng)，只有部分聚吡咯高分子沉積在織物表面，反而會(huì)使得織物導(dǎo)電性有所下降.

由圖6可知，在織物組織和紗線線密度相同的情況下，織物的緯密越大，機(jī)織物的表面比電阻越小，即織物的導(dǎo)電性越強(qiáng).由織物的結(jié)構(gòu)和聚吡咯氣相沉積法的聚合原理分析可知，一方面，在織物組織結(jié)構(gòu)和紗線線密度相同的情況下，織物的緯密越大，則織物面密度越大，氣相聚合時(shí)聚吡咯高分子摻雜在纖維內(nèi)部，并吸附在織物的表面，織物面密度越大，纖維內(nèi)部及織物表面吸附的聚吡咯導(dǎo)電分子的數(shù)量也就越多，13#，14#，15#，16#試樣的聚吡咯沉積量分別為0.0301，0.0395，0.0425，0.0516g，依次增大，得到的織物表面比電阻依次減小，即導(dǎo)電性越強(qiáng)；另一方面，在織物組織和紗線線密度相同的情況下，織物的緯密越大，則相同面積內(nèi)的紗線之間更加緊密，紗線接觸點(diǎn)數(shù)越多，織物的表面比電阻就越小.

2.4 非織造布的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)織物導(dǎo)電性的影響

非織造布的導(dǎo)電性隨織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化如圖8所示.

圖8 非織造布試樣的導(dǎo)電性隨面密度的變化Fig.8 The electrical conductivity of nonwoven fabric samples changes with surface density

由圖8可知，非織造布的表面比電阻隨著其面密度的增大而減小，即導(dǎo)電性變強(qiáng).由非織造布的結(jié)構(gòu)和聚吡咯導(dǎo)電織物的導(dǎo)電原理分析可知，織物的面密度越大，則相同面積內(nèi)的纖維含量越大，氣相聚合時(shí)摻雜在纖維內(nèi)部及吸附在織物表面的聚吡咯導(dǎo)電分子的數(shù)量也就越多.20#，21#，22#，23#試樣的聚吡咯沉積量分別為0.0201，0.0261，0.0275，0.0326g，依次增大，得到的非織造布表面比電阻依次減小，即導(dǎo)電性依次增強(qiáng).

3 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過(guò)氣相化學(xué)聚合法制得的導(dǎo)電針織物、機(jī)織物及非織造布，其織物表面沉積的聚吡咯都較為均勻充分.

(2) 在織物組織相同的情況下，紗線線密度或織物密度越大，針織物導(dǎo)電性越好，可根據(jù)其導(dǎo)電性隨紗線線密度或織物密度的變化進(jìn)一步開(kāi)發(fā)柔性可變電阻.

(3) 在織物組織相同的情況下，織物密度越大，機(jī)織物的導(dǎo)電性越好.在一定范圍內(nèi)，織物的紗線線密度越大，其導(dǎo)電性越好，而當(dāng)紗線線密度過(guò)大時(shí)，機(jī)織物導(dǎo)電性反而會(huì)有所下降.在紗線線密度和織物密度相同的情況下，改變織物組織，縐組織、8/3緯面緞紋和蜂巢組織這3種織物的導(dǎo)電性有所不同.可根據(jù)其導(dǎo)電性隨織物密度或織物組織的變化進(jìn)一步開(kāi)發(fā)柔性可變電阻.

(4) 在選用的原料和生產(chǎn)方法相同的情況下，非織造布的面密度越大，其導(dǎo)電性越好.可根據(jù)其導(dǎo)電性隨非織造布面密度的變化進(jìn)一步開(kāi)發(fā)柔性可變電阻.

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Effect of Fabric Structure Parameters on the Electrical Conductivity of Polypyrrole Conducting Fabrics

LIHui-zhi1，ZHUANGQin-liang1，XUYuan2

(1.College of Textiles,Donghua University,Shanghai 201620,China；2.Xinjiang Institute of Light Industry Technology，Urmuqi 830000，China)

The research project explores the relationship between electrical conductivity of fabrics and the structure of fabrics including knitted fabrics,woven fabrics and nonwoven fabrics after vapor deposition of polypyrrole.The influences of structural parameters such as yarn linear density,fabric density,fabric structure and fabric surface density on the electrical conductivity of polypyrrole fabrics are studied.The experimental results show that for the knitted fabrics，when the fabric structures are the same,an increase in yarn linear density or fabric density will increase the electrical conductivity of fabric.For the woven fabrics,an increase in yarn linear density will increase the electrical conductivity of fabrics,but when the value of yarn linear density reaches to a certain extent,an increase in yarn linear density will decrease the electrical conductivity of fabrics.Different fabric weaves such as the crepe weave,8/3 weft satin and honeycomb result in different electrical conductivities.For the nonwoven fabrics,an increase in fabric surface density will increase the electrical conductivity of fabric.

weave structure parameters; polypyrrole conducting fabrics; yarn linear density; fabric density; fabric weave; fabric surface density

1671-0444(2015)01-0037-06

2013-09-30

李惠芝(1988—)，女，浙江紹興人，碩士研究生，研究方向?yàn)閷?dǎo)電智能紡織品.E-mail:2110027@mail.dhu.edu.cn

莊勤亮(聯(lián)系人)，女，副教授，E-mail:qlzhuang@dhu.edu.cn

TS 106.6

A