印制法PEDOT:PSS導(dǎo)電滌綸織物的制備

黃書彥，夏慧寶，曹機(jī)良

（河南工程學(xué)院化工與印染工程學(xué)院，河南鄭州 450007）

隨著科技水平和生活水平的提高，普通的紡織品已經(jīng)不能滿足人們的日常需求，相應(yīng)的智能紡織品應(yīng)運(yùn)而生［1］。因此，智能紡織品或?qū)⒊蔀槿藗內(nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵?，并且在眾多領(lǐng)域占據(jù)的地位也越來越重要［2］。智能紡織品的設(shè)計(jì)、開發(fā)給紡織行業(yè)的未來帶來希望和再創(chuàng)造的可能，前景一片光明［3］，具有導(dǎo)電功能的導(dǎo)電紡織品是其中一個(gè)重要組成部分。當(dāng)前，常見的導(dǎo)電介質(zhì)材料有金屬、導(dǎo)電聚合物［聚苯胺、聚吡咯、聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)等］、導(dǎo)電碳材料（石墨烯、碳納米管等）等［4-8］，其中，聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)即PEDOT：PSS研究的歷史可以追溯20世紀(jì)80年代。因聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)（PEDOT）的水溶性很差，要提高水溶性，可將聚苯乙烯磺酸鈉鹽（PSS）摻雜到PEDOT混合溶液中，經(jīng)處理后就能得到水溶性高的PEDOT：PSS［9-11］。

本課題將PEDOT：PSS與黏合劑、增稠劑等制備成印花色漿，將PEDOT：PSS導(dǎo)電色漿印制于滌綸織物表面，探究其印制性能，以期為PEDOT：PSS印制法導(dǎo)電滌綸織物的制備提供一定的借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

織物：滌綸，55.6 dtex×83.3 dtex，93 g/m2。試劑：聚(3,4-乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)（分析純，上海源葉生物科技有限公司），合成增稠劑WZ-109（廣州市中萬新材料有限公司），涂料印花黏合劑Hansi PDM（江蘇漢諾斯化學(xué)品有限公司）。儀器：JJ-1電動(dòng)攪拌器（金壇市華峰儀器有限公司），KQ-300B超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司），TG16臺(tái)式高速離心機(jī)（長沙英泰儀器有限公司），DZF-6020真空干燥箱（常州未來儀器制造有限公司），PC-GX定形烘干機(jī)（上海一派印染技術(shù)有限公司），QM-3SP04行星式球磨機(jī)（南京南大儀器有限公司），RC-MP2000磁棒印花機(jī)（上海燦孚機(jī)電有限公司），SW-12A耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)（溫州方圓儀器有限公司），1604070摩擦色牢度儀（南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司），Quanta 250掃描電子顯微鏡（捷克FEI公司），ST2258C型多功能數(shù)字式四探針測試儀（蘇州晶格電子有限公司）。

1.2 制備方法

1.2.1 PEDOT：PSS的研磨

用電子天平稱取20 g含固量為10%的PEDOT：PSS（使用前經(jīng)過濃縮）于球磨罐里，再量取25 mL蒸餾水倒入球磨罐中，把球磨罐蓋好，檢查密封性完好后，放入行星式球磨機(jī)中，研磨24 h待用。

1.2.2 PEDOT：PSS色漿的制備

取容積約50 mL的搪瓷缸，分別稱取PEDOT∶PSSx、黏合劑y、合成增稠劑z，再加適量水補(bǔ)充至色漿總質(zhì)量為20 g，不斷攪拌，直到得到黏稠狀的色漿。

1.2.3 印制導(dǎo)電滌綸織物

將制備的色漿用磁棒印花機(jī)印制于滌綸織物表面，然后立即將織物于80℃烘5 min，再在不同溫度和時(shí)間下進(jìn)行焙烘。

1.3 測試

1.3.1 表面電阻

采用四探針測試儀測試印制滌綸織物的表面電阻，每個(gè)試樣測試16次，取平均值并求標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.3.2 SEM

將樣品按照編號(hào)依次粘貼于樣品臺(tái)上，噴金后放于SEM樣品觀察室中并抽真空，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求對(duì)試樣進(jìn)行掃描。儀器測試加速電壓為1.5 kV。

1.3.3 耐洗性能

根據(jù)AATCC 135—2000將PEDOT：PSS印制滌綸織物進(jìn)行洗滌后，測量其表面電阻。

1.3.4 耐摩擦性能

按照GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》測試，在對(duì)印制織物的摩擦完成后，將其烘干、平衡干燥，測量其表面電阻。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物導(dǎo)電性能的影響因素

2.1.1 黏合劑用量

固定PEDOT：PSS 5.0 g/L，合成增稠劑0.3 g/L，黏合劑用量對(duì)PEDOT：PSS印制滌綸織物導(dǎo)電性能的影響如表1所示。由表1可以看出，不添加黏合劑，滌綸織物水洗后的表面電阻很大，超出了測試儀的量程；當(dāng)黏合劑用量大于5.0 g/L后，織物的表面電阻越來越大；當(dāng)黏合劑用量為15.0 g/L時(shí)，滌綸織物的表面電阻為27.43 MΩ/cm，表面電阻很大，導(dǎo)電性能差。因?yàn)轲ず蟿┯昧康脑黾邮沟脤?dǎo)電織物的牢度提高，并逐漸達(dá)到穩(wěn)定，但用量過多，過量的黏合劑覆蓋在織物纖維表面形成薄膜，覆蓋了PEDOT：PSS導(dǎo)電層，使織物的表面電阻變大。為了提高織物的導(dǎo)電性，要控制好黏合劑的用量。當(dāng)黏合劑用量為5.0 g/L時(shí)，滌綸織物表面電阻為0.21 MΩ/cm，且織物的耐洗性能較好。

表1 黏合劑用量對(duì)滌綸織物導(dǎo)電性能的影響

2.1.2 合成增稠劑用量

固定PEDOT：PSS 5.0 g/L，黏合劑5.0 g/L，合成增稠劑用量對(duì)PEDOT：PSS印制滌綸織物導(dǎo)電性能的影響如表2所示。由表2可以看出，在色漿配制不添加合成增稠劑時(shí)，滌綸織物的表面電阻比添加合成增稠劑時(shí)大，導(dǎo)電性能較差，因?yàn)樯珴{中合成增稠劑的作用是讓導(dǎo)電色漿具有一定的流變性，使有效的導(dǎo)電物質(zhì)PEDOT：PSS能很好地與織物纖維結(jié)合，從而提高織物的導(dǎo)電性能。當(dāng)合成增稠劑用量為0.1～0.5 g/L時(shí)，滌綸織物的表面電阻隨著合成增稠劑用量的增加先減小后增大；當(dāng)合成增稠劑用量為0.1、0.2 g/L時(shí)，導(dǎo)電色漿過稀，不易成糊狀，不利于印制或印制導(dǎo)電層的厚度較小，導(dǎo)電層的連續(xù)性較差；當(dāng)合成增稠劑用量為0.5 g/L時(shí)，導(dǎo)電色漿過于黏稠，印制過程中大部分色漿都粘在磁棒上，使導(dǎo)電色漿難以印制到織物上，導(dǎo)電層的連續(xù)性和牢度變差。結(jié)合工藝和實(shí)際的具體要求綜合分析，當(dāng)合成增稠劑用量為0.3 g/L時(shí)，導(dǎo)電色漿易成糊狀，印制后滌綸織物的表面電阻為0.21 MΩ/cm。

表2 合成增稠劑用量對(duì)滌綸織物導(dǎo)電性能的影響

2.1.3 PEDOT：PSS用量

固定合成增稠劑0.3 g/L，黏合劑5.0 g/L，PEDOT：PSS用量對(duì)印制滌綸織物導(dǎo)電性能的影響如表3所示。由表3可知，當(dāng)PEDOT：PSS用量為1.0 g/L時(shí)，滌綸織物的表面電阻遠(yuǎn)大于PEDOT：PSS用量為3.0、5.0、10.0、15.0 g/L時(shí)的表面電阻，這表明PEDOT：PSS用量對(duì)織物的導(dǎo)電性能起了決定性作用。滌綸織物的表面電阻隨著PEDOT：PSS用量的增加而減小，當(dāng)用量增加到一定程度時(shí)，織物表面電阻的降低趨勢變緩。而且當(dāng)PEDOT：PSS用量為10.0、15.0 g/L時(shí)，導(dǎo)電色漿的印制性變差，成本增加。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，選擇PEDOT：PSS 5.0 g/L，滌綸導(dǎo)電織物的表面電阻為0.21 MΩ/cm。

表3 PEDOT：PSS用量對(duì)滌綸織物導(dǎo)電性能的影響

2.1.4 焙烘溫度

固定PEDOT：PSS 5.0 g/L，合成增稠劑0.3 g/L，黏合劑5.0 g/L，焙烘時(shí)間4 min，焙烘溫度對(duì)PEDOT：PSS印制滌綸織物導(dǎo)電性能的影響如圖1所示。由圖1可知，隨著溫度的升高，滌綸織物的耐洗性能逐漸提高；但焙烘溫度達(dá)到150℃以后，水洗后導(dǎo)電滌綸織物的表面電阻最低，導(dǎo)電性最佳。這是因?yàn)楸汉鏈囟壬?，黏合劑在纖維表面的成膜性越佳，黏合劑在纖維表面的成膜變得緊密、完整。成膜性越佳，一方面使得導(dǎo)電滌綸織物的耐洗性能提高，另一方面膜對(duì)導(dǎo)電色漿中PEDOT：PSS的裸露和連續(xù)性有一定的阻礙作用，故隨著焙烘溫度的升高，導(dǎo)電性下降，但耐洗性能提高。綜合考慮，最佳的焙烘溫度為150℃。

圖1 焙烘溫度對(duì)滌綸織物導(dǎo)電性能的影響

2.1.5 焙烘時(shí)間

固定PEDOT：PSS 5.0 g/L，合成增稠劑0.3 g/L，黏合劑5.0 g/L，焙烘溫度150℃，焙烘時(shí)間對(duì)PEDOT：PSS印制滌綸織物導(dǎo)電性能的影響如表4所示。由表4可以看出，隨著焙烘時(shí)間的延長，滌綸織物的表面電阻逐漸增大；在焙烘時(shí)間為4 min時(shí)，滌綸織物的表面電阻為0.21 MΩ/cm，有較好的耐洗性能。主要原因是焙烘時(shí)間太短，黏合劑難以在纖維表面成膜，導(dǎo)電色漿中的PEDOT：PSS不能很好地在黏合劑作用下與纖維結(jié)合固著，織物雖有導(dǎo)電性但耐洗性能不好。故最佳焙烘時(shí)間為4 min。

表4 焙烘時(shí)間對(duì)滌綸織物導(dǎo)電性能的影響

2.2 PEDOT：PSS導(dǎo)電織物的性能

2.2.1 耐摩擦性能

PEDOT：PSS導(dǎo)電織物的摩擦性能如表5所示，滌綸織物的表面電阻在經(jīng)過干摩擦和濕摩擦處理后都有一定程度的增加，而且干摩擦處理后的表面電阻小于濕摩擦處理后的表面電阻。

表5 PEDOT：PSS導(dǎo)電滌綸織物摩擦前后的表面電阻

2.2.2 耐洗性能

由表6可以看出，隨著水洗次數(shù)的增加，滌綸織物的表面電阻逐漸增大；水洗30次后，滌綸織物的表面電阻比水洗前增大了104.8%。

表6 PEDOT：PSS導(dǎo)電滌綸織物的耐洗性能

主要原因是織物在經(jīng)過水洗后，黏合劑所成的膜一部分在水的沖擊下發(fā)生破裂，纖維表面一些粘附性不強(qiáng)的PEDOT：PSS容易脫落，導(dǎo)致織物的導(dǎo)電性能下降。

2.2.3 表面形貌

由圖2a可以看出，滌綸原布的表面有“凹槽”，說明該滌綸織物經(jīng)過了堿減量加工。由圖2b可以看出，導(dǎo)電色漿中不添加黏合劑時(shí)，滌綸織物纖維表面存在一層薄膜，因?yàn)镻EDOT：PSS本身具有一定的成膜性；但由圖2c可以看出，水洗后滌綸織物表面的PEDOT：PSS存在明顯的裂痕，因?yàn)镻EDOT：PSS較難穩(wěn)定地固著在滌綸織物表面，且PEDOT：PSS薄膜的機(jī)械強(qiáng)度較差，水洗后容易破裂。由圖2d可以看出，在導(dǎo)電色漿中加入一定量的黏合劑后，滌綸織物表面形成一層連續(xù)、均勻的薄膜。由圖2e可以看出，水洗后，黏合劑所成膜仍在織物表面，說明黏合劑分子與滌綸纖維大分子之間進(jìn)行了充分的交聯(lián)，生成的薄膜機(jī)械性能良好，PEDOT：PSS能與纖維穩(wěn)定結(jié)合，水洗后薄膜基本能保持原本的形貌，耐洗性能良好。

圖2 PEDOT：PSS導(dǎo)電滌綸織物的SEM（5 000倍）

3 結(jié)論

（1）PEDOT：PSS導(dǎo)電滌綸織物的最佳制備工藝為：PEDOT：PSS 5.0 g/L，黏合劑5.0 g/L，合成增稠劑0.3 g/L，150℃焙烘4 min，滌綸織物的表面電阻降至0.21 MΩ/cm。

（2）導(dǎo)電滌綸織物的耐干摩擦牢度都要大于耐濕摩擦牢度，水洗30次后，滌綸織物的表面電阻比水洗前增大了104.8%。

（3）導(dǎo)電滌綸織物纖維表面已經(jīng)存在通過黏合劑膜與織物相結(jié)合的PEDOT：PSS。