絲素蛋白改性PBT纖維的導電處理研究

吳 楠 吳惠英 劉澤華 薛紅茹 周 燕

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術學院，江蘇蘇州，215009）

智能紡織最早是在1979年被提出，最早被開發(fā)出來的是日本研發(fā)的可進行形狀記憶的蠶絲［1］，但這一概念直到20世紀90年代后期才被更多人接受。目前，該項研究已經(jīng)是將紡織、醫(yī)學、電子等多學科緊密結合的新學科，它充分將紡織新材料、紡織技術與傳感、通訊等技術結合來開發(fā)功能產(chǎn)品［2］。以紡織品為基材進行柔性傳感器的研制在一定程度上已取得了部分應用，而導電纖維是開發(fā)具有導電功能智能紡織品的重要原料，目前導電纖維有金屬系、碳系、金屬化合物和導電高分子材料［3］，能夠將電信號進行有效探測及傳輸。采用導電纖維制備傳感器材料可以獲得柔韌、便于攜帶的優(yōu)點，成為開發(fā)信息傳感等智能紡織品的首選材料。

聚吡咯是導電高分子材料中的一種，將其應用到導電纖維的制備上工藝簡單，可操作性強。本研究以絲素蛋白改性PBT纖維（以下簡稱SF/PBT復合纖維）為基材，利用FeCl3作為氧化劑、吡咯為導電材料，制備SF/PBT復合導電纖維，分析氧化劑濃度對SF/PBT復合導電纖維表面形態(tài)、導電性以及力學性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

本研究所用SF/PBT復合纖維規(guī)格為265 dtex/36 F（自制）。SF/PBT復合纖維的生產(chǎn)工藝是在PBT纖維紡絲過程中加入了絲素蛋白納米顆粒制備形成。試劑：氯化鐵（FeCl3，無錫市標普化學試劑有限公司）；吡咯單體（Py，無錫市亞琴聯(lián)合化工有限公司）。

1.2 試驗測試儀器

Hitachi S?570型掃描電子顯微鏡（日本Hita?chi公司）；Instron3365型萬能材料試驗機（美國Instron公司）；ZC?90G型高絕緣電阻測試儀（上海強佳電氣有限公司）。

1.3 SF/PBT復合纖維的導電化處理

1.3.1 FeCl3溶液的制備

以FeCl3為氧化劑，將不同質量的FeCl3分別溶于定量的去離子水中，制備0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L的FeCl3溶液。

1.3.2 SF/PBT復合纖維的導電化處理

純聚吡咯（PPy）導電性并不是很好，但可以通過摻雜的方式改善其導電性。試驗中FeCl3起著氧化劑和摻雜劑的雙重作用。在SF/PBT復合導電纖維制備過程中，F(xiàn)eCl3是一種金屬鹽摻雜劑，在合成過程中進入到聚合物材料中，同時給PPy提供氧化環(huán)境，對導電性的提高有促進作用。

SF/PBT復合導電纖維的制備：將SF/PBT復合纖維放置在配置好的FeCl3溶液中浸泡60 min，取出晾干；將處理后的纖維固定在培養(yǎng)皿上，將1 mL的Py溶液（單體）倒入培養(yǎng)皿中均勻平鋪，保證培養(yǎng)皿上端固定的纖維能夠充分接受到Py的作用，將培養(yǎng)皿放置-5℃環(huán)境下充分反應24 h，取出樣品用去離子水清洗，得到SF/PBT復合導電纖維，制備過程見圖1。

圖1 基于PPy復合導電纖維的形成示意圖

1.4 性能測試

1.4.1 表面形態(tài)測試

利用Hitachi S?570型掃描電子顯微鏡對導電處理前后的SF/PBT復合纖維測試觀察，測試前將纖維進行噴金處理，厚度約20 nm～30 nm。

1.4.2 增重率測試

測試導電處理前后SF/PBT復合纖維質量，并按照式（1）計算纖維的增重率。

式中：η為增重率（%），M2為導電處理后纖維重量（g），M1為導電處理前纖維重量（g）。

1.4.3 電導率測試

利用ZC?90G型高絕緣電阻測試儀對SF/PBT復合導電纖維進行電阻測試，電阻量程為0Ω～2×1017Ω，纖維有效測量長度2 cm，纖維電導率計算見式（2）。

式中：σ為電導率（S/cm），L為纖維長度（cm），R為纖維電阻（Ω），S為纖維截面積（cm2）。

1.4.4 力學測試

利用Instron3365型萬能材料試驗機對纖維的力學性能進行測試，測試距離250 mm，拉伸速率250 mm/min，初始張力0.2 cN。

2 結果與分析

2.1 FeCl3濃度對纖維表面形貌的影響

圖2是經(jīng)過不同濃度FeCl3溶液處理后的纖維表面形貌。

圖2 不同濃度FeCl3處理后纖維的表面形貌

由圖2可以看出，未處理的纖維表面在局部有凹凸顆粒，這主要是由于絲素蛋白顆粒的加入引起的。經(jīng)過導電處理后，隨著FeCl3溶液濃度的增加，纖維表面形成的導電材料增多。當FeCl3濃度為0.2 mol/L和0.4 mol/L時，導電材料PPy已經(jīng)生成，但只是散落在纖維表面的局部，形成的PPy主要是顆粒狀的結構［4］；當FeCl3濃度增至0.6 mol/L，出現(xiàn)了微孔結構的PPy；當FeCl3濃度達到0.8 mol/L時，在纖維的表面能夠看到相對均勻的結構，幾乎覆蓋了材料的表面，PPy基本完全覆蓋到纖維表面；當FeCl3溶液濃度為1.0 mol/L時，在纖維的一些位置還可以看到聚集狀的類似“菜花”一樣的微孔結構［5］。

2.2 SF/PBT復合導電纖維的增重率和電導率

SF/PBT復合纖維導電處理前后的增重率和電導率見表1。SF/PBT復合纖維經(jīng)過FeCl3溶液處理后，F(xiàn)eCl3溶液會進入到纖維的內部，SF/PBT復合纖維的增重率隨著FeCl3溶液濃度的增加而增加。溶液中FeCl3越多，能夠有效提高FeCl3進入到纖維內部，在纖維進行后續(xù)的Py處理時，有利于纖維吸附Py，增加FeCl3與Py的接觸，提高了單體的轉化率［6］。因此，相應的SF/PBT復合導電纖維的電導率也越大，當FeCl3溶液濃度為0.2 mol/L時，電導率為7.53×10-5S/cm，當FeCl3溶液濃度增加到1.0 mol/L時，電導率增加到7.38×10-2S/cm，隨著形成的PPy增加，在纖維的表面形成了連續(xù)的導電通道，利于載流子通行［7］，紗線電導率開始急劇增加，試驗數(shù)據(jù)表明，SF/PBT復合導電纖維的電導率隨著FeCl3溶液濃度的增加而增加。

表1 FeCl3濃度對纖維增重率和電導率的影響

2.3 SF/PBT復合導電纖維的力學性能

SF/PBT復合纖維經(jīng)導電處理前后的力學性能變化見表2。

表2 FeCl3濃度對復合導電纖維力學性能的影響

纖維在導電處理過程中，受到氧化劑的作用，在一定情況下會影響纖維的強力，隨著導電材料PPy的逐步生成，PPy會聚集在纖維表面，對纖維的力學性能又起到了一定的改善作用。與未處理的SF/PBT復合纖維相比，經(jīng)過不同濃度的FeCl3溶液處理后，纖維的斷裂強度和斷裂伸長率有小幅度的降低，但總體下降不明顯，說明本試驗中的導電處理過程對纖維力學性能不會造成過大影響。FeCl3溶液濃度在0.2 mol/L時，斷裂強度為34.18 cN/tex，斷裂伸長率為14.19%，當濃度增加到1.0 mol/L時，斷裂強度為32.34 cN/tex，斷裂伸長率為12.04%。

3 結論

本研究提出了一種以FeCl3為氧化劑和摻雜劑、Py為導電材料，制備SF/PBT復合導電纖維的方法，研究了不同F(xiàn)eCl3溶液濃度對復合導電纖維的影響。試驗結果表明：纖維表面生成的PPy隨著FeCl3濃度的增加而增多，纖維的增重率、電導率隨著FeCl3濃度的增加而增加，當FeCl3溶液濃度為1.0 mol/L時，纖維增重率為11.5%，電導率為7.38×10-2S/cm，通過力學性能測試結果顯示，導電處理不會對纖維的力學性能造成較大影響。