织物结构参数对聚吡咯导电织物导电性的影响

李惠芝，庄勤亮，徐 原

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；2.新疆轻工职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830000)

织物结构参数对聚吡咯导电织物导电性的影响

李惠芝1，庄勤亮1，徐 原2

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；2.新疆轻工职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830000)

以针织物、机织物、非织造布为研究对象，经聚吡咯气相沉积方法制备导电织物，分别探讨了纱线线密度、织物密度、织物组织、织物面密度对织物导电性的影响规律.试验结果表明：在织物组织相同的情况下，针织物的纱线线密度或织物密度越大，其导电性越好；当纱线线密度在一定范围内时，机织物的纱线线密度越大，其导电性越好，但当纱线线密度过大时其导电性反而有所下降；机织物密度越大，其导电性越好；改变机织物组织结构时，绉组织、8/3纬面缎纹、蜂巢组织织物的导电性有所不同；非织造布的面密度越大，其导电性越好.

织物结构参数；聚吡咯导电织物；纱线线密度；织物密度；织物组织；织物面密度

近年来，聚吡咯由于易合成、导电性好、环境稳定性优异以及低毒等特性[1]，成为制备导电纺织品的首选材料.聚吡咯导电织物可用于开发抗电磁干扰、吸收微波、抗静电材料以及柔性传感器[2].此外国外目前正在进一步研制具有导电梯度分布的纺织材料，可用于柔性可变电阻，以满足智能服装功能开发的需要.文献[3]曾采用含有化学还原剂的溶液处理聚吡咯织物得到了具有导电梯度分布的纺织材料，其梯度是通过控制化学溶液中还原剂的浓度、处理织物的时间和温度来实现的.此方法的优势在于对织物本身不构成破坏，但由于其导电性控制涉及多个方面，其精度控制还有待进一步研究.文献[4]则采用高压水枪冲击经液相化学聚合法制得的聚吡咯导电织物，制备出了具有导电梯度分布的纺织材料.此方法是利用高压水流的冲击作用将织物上部分区域的聚吡咯除去，使织物表现出电阻的各向异性，达到制备梯度电阻织物的目的.其优势在于可根据导电性的需求自由设计一定的导电梯度，但对织物会造成某种程度的损害，对于织物的后期使用会产生一定的影响.

在国外开发聚吡咯柔性可变电阻的理论基础上，国内对此也进行了一定的探索.文献[5]采用腈纶纬平针织物为基布，分别以医用胶带贴片、塑料胶带贴片和甲基环己烷钛白粉(涂改液)进行规律性的贴覆处理，再以低温低压气相法合成制得聚吡咯柔性可变电阻，但此种方法在梯度精度控制上有待进一步研究.此外，其又以针织物的结构变化为基础，采用移圈、改变编织时垫入织针的纱线数量、改变参加编织的织针数量制备了结构具有明显梯度变化特点的基布材料，再以低温低压气相法合成制得聚吡咯柔性可变电阻.此方法利用织物结构参数的变化制成了一体化的具有导电梯度分布的纺织材料，其优势在于对织物本身不造成损害，具有一定的可行性，但其在梯度精度控制上还有待进一步的研究.

结合国内外制备导电梯度织物的方法，利用织物结构参数的变化制备导电梯度织物具有一定的借鉴性.对于其梯度精度的控制可以从织物的结构参数入手，纱线原料、线密度、密度的配置和纱线的交错情况都是织物结构的参数[6].针织物、机织物和非织造布是3种不同类型结构的织物，随织物结构参数的变化，织物的结构变化有所不同，由此在经过聚吡咯气相沉积后所得织物的导电性也有所不同，因而具有开发柔性可变电阻的可行性.本文以各种结构参数不同的针织物、机织物及非织造布为基布，利用聚吡咯气相沉积法制备导电织物，分析结构参数的变化对织物导电性的影响，由此探讨通过织物结构参数的变化制备柔性可变电阻器的可行性.

1 试验部分

1.1 试验方法

聚吡咯导电织物的制备主要有电化学氧化法、液相化学聚合法和气相化学聚合法[7].气相化学聚合法制得的导电织物表面光滑、结构紧密，具有良好的导电性[8]，所以本文选用气相化学聚合法制备导电织物.

1.2 试验步骤

1.2.1 织物试样结构参数的选择

在织物组织相同的情况下，通过改变织物所用的纱线线密度或织物密度得到具有不同结构参数的针织物，其具体工艺参数如表1所示.

表1 针织物试样的工艺参数Table 1 The process parameters of knitted fabric samples

在织物组织和密度相同的情况下，通过采用不同粗细的涤纶网络丝得到具有不同结构参数的机织物，其具体工艺参数如表2所示.在纱线线密度相同的情况下，分别通过改变织物的密度或织物组织，得到具有不同结构参数的机织物，其具体工艺参数如表3所示.

表2 涤纶网络丝机织物试样的工艺参数Table 2 The process parameters of polyester network yarn woven fabric samples

表3 涤纶短纤纱机织物试样的工艺参数Table 3 The process parameters of polyester staple yarn woven fabric samples

在选用的原料和生产方法相同的情况下，通过控制织物的面密度得到具有不同结构参数的非织造布，其具体工艺参数如表4所示.

表4 非织造布试样的工艺参数Table 4 The process parameters of nonwoven fabric samples

1.2.2 织物试样的准备

将试样裁剪成6cm×6cm，在65℃的3g/L的氢氧化钠溶液中煮练3h，去除杂质后取出晾干.将晾干后的试样依次在0.01mol/L的十二烷基苯磺酸钠溶液和0.3mol/L的氯化高铁溶液中浸渍1h，取出晾干.

1.2.3 试样的合成

将试样置于如图1所示的合成反应装置中，在-21℃的真空环境下进行合成，反应5h后取出，得到聚吡咯导电织物[5].

图1 合成反应装置示意图[5]Fig.1 Apparatus for vapor-deposition polymerization

1.3 织物导电性能的测试

用表面比电阻作为衡量织物导电性的物理量.用DT-830B型精密万用表测出表面电阻RS，由实测表面电阻RS按下式计算表面比电阻ρS[9].

式中：RS为放在材料表面上的两电极间材料的表面电阻(Ω)；L为电极的宽度(cm)；b为电极间的距离(cm).

2 结果与分析

在织物进行聚吡咯气相沉积时，吡咯单体一方面通过与纤维内部的掺杂剂反应形成聚吡咯掺杂在纤维内部，另一方面通过与纤维表面的掺杂剂反应沉积在纤维表层，因此，织物的面密度与织物的导电性有密切的关系[10].另外，在聚吡咯导电织物中，针织物的电阻变化与导线的接触电阻和导线长度有关[11].通过改变织物的结构参数，如织物的纱线线密度、织物密度和组织都会改变织物面密度及导电织物中的接触电阻和导线长度，由此改变织物的导电性.机织物、针织物和非织造布作为3种不同成型方式的织物，其导电性随结构参数的变化都具有其各自的特点.

2.1 聚吡咯导电织物显微镜观察结果

将气相化学聚合法制得的聚吡咯导电针织物、机织物及非织造布分别置于KH-1000型数字式三维视频显微测量系统进行观测，其结果如图2所示.

图2 聚吡咯导电织物显微镜观测结果(×40)Fig.2 Microscope observation of polypyrrole conducting fabrics(×40)

由图2可知，经过聚吡咯气相化学聚合法制得的导电针织物、机织物及非织造布的表面沉积的聚吡咯都较为均匀充分，这也是气相化学聚合法制得的导电织物导电性较强的主要原因.

2.2 针织物的结构参数变化对织物导电性的影响

经过聚吡咯气相沉积之后，不同结构参数的针织物导电性随织物结构参数的变化如图3和4所示.

图3 针织物试样的导电性随纱线线密度的变化Fig.3 The electrical conductivity of knitted fabric samples changes with yarn linear density

图4 针织物试样的导电性随织物密度的变化Fig.4 The electrical conductivity of knitted fabric samples changes with fabric density

由图3可知，在织物组织和密度相同的情况下，纱线线密度越大，针织物的表面比电阻越小，即织物的导电性越强.由织物的结构和聚吡咯气相沉积法的聚合原理分析可知，一方面，在织物组织和密度相同的情况下，增大纱线的线密度会使织物面密度增大，气相聚合时聚吡咯高分子掺杂在纤维内部，并吸附在织物的表面，织物面密度越大，纤维内部及织物表面吸附的聚吡咯导电分子的数量也就越多，1#，2#，3#，4#试样的聚吡咯沉积量分别为0.0113，0.0234，0.0312，0.0381g，依次增大，得到的织物表面比电阻依次减小；另一方面，在织物组织和密度相同的情况下，纱线的线密度越大，则相同面积内的纱线间越紧密，织物内纱线的接触点数越多，得到的织物表面比电阻就越小.

由图4可知，在织物组织和纱线线密度相同的情况下，织物的纵密越大，其表面比电阻越小，即织物的导电性越强.由织物的结构和聚吡咯气相沉积法的聚合原理分析可知，一方面，在织物组织和纱线线密度相同的情况下，增大织物的纵密，会使织物面密度增大，气相聚合时聚吡咯高分子掺杂在纤维内部，并吸附在织物的表面，织物面密度越大，纤维内部及织物表面吸附的聚吡咯导电分子的数量也就越多，5#，6#，7#，8#试样的聚吡咯沉积量分别为0.0101，0.0155，0.0175，0.0216g，依次增大，得到的织物表面比电阻依次减小；另一方面，在织物组织和纱线线密度相同的情况下，织物的纵密越大，线圈长度越短[7]，且相同面积内的线圈数越多，即织物电路中的导线越短，纱线的接触点数越多，由此织物的表面比电阻值就越小.

2.3 机织物的结构参数变化对织物导电性的影响

经过聚吡咯气相沉积之后，不同结构参数的机织物导电性随织物结构参数的变化如图5～7所示.

图5 机织物试样的导电性随纱线线密度的变化Fig.5 The electrical conductivity of woven fabric samples changes with yarn linear density

图6 机织物试样的导电性随织物密度的变化Fig.6 The electrical conductivity of woven fabric samples changes with fabric density

图7 机织物试样的导电性随织物组织的变化Fig.7 The electrical conductivity of woven fabric samples changes with fabric weave

由图5可知，在织物组织和密度相同的情况下，纱线线密度增大，机织物的表面比电阻先随之减小，到达一定程度后，又随之增大.即在一定范围内，纱线线密度越大，织物的导电性越强，纱线线密度到达一定程度后，导电性又随之减弱.测量气相化学聚合前后的织物质量可知，经过气相化学聚合后，9#，10#，11#，12#试样的聚吡咯沉积量分别为0.0301，0.0355，0.0375，0.0166g.即当纱线线密度在11～33tex范围内，纱线线密度越大，试样增量越大，而当纱线线密度增大到50tex时，试样增量反而有所减小.由织物的结构和聚吡咯气相沉积法的聚合原理分析可知，当纱线线密度在一定范围内时，一方面，在织物组织和密度相同的情况下，增大纱线的线密度会使织物面密度增大，气相聚合时聚吡咯高分子掺杂在纤维内部，并吸附在织物的表面，织物面密度越大，纤维内部及织物表面吸附的聚吡咯导电分子的数量也就越多，而得到的织物表面比电阻越小；另一方面，在织物组织和密度相同的情况下，纱线线密度越大，则相同面积内的纱线间越紧密，织物内接触点数越多，得到的织物表面比电阻就越小，但当织物过于紧密时，吡咯气体无法与纤维内部的掺杂剂反应，只有部分聚吡咯高分子沉积在织物表面，反而会使得织物导电性有所下降.

由图6可知，在织物组织和纱线线密度相同的情况下，织物的纬密越大，机织物的表面比电阻越小，即织物的导电性越强.由织物的结构和聚吡咯气相沉积法的聚合原理分析可知，一方面，在织物组织结构和纱线线密度相同的情况下，织物的纬密越大，则织物面密度越大，气相聚合时聚吡咯高分子掺杂在纤维内部，并吸附在织物的表面，织物面密度越大，纤维内部及织物表面吸附的聚吡咯导电分子的数量也就越多，13#，14#，15#，16#试样的聚吡咯沉积量分别为0.0301，0.0395，0.0425，0.0516g，依次增大，得到的织物表面比电阻依次减小，即导电性越强；另一方面，在织物组织和纱线线密度相同的情况下，织物的纬密越大，则相同面积内的纱线之间更加紧密，纱线接触点数越多，织物的表面比电阻就越小.

2.4 非织造布的结构参数变化对织物导电性的影响

非织造布的导电性随织物的结构参数的变化如图8所示.

图8 非织造布试样的导电性随面密度的变化Fig.8 The electrical conductivity of nonwoven fabric samples changes with surface density

由图8可知，非织造布的表面比电阻随着其面密度的增大而减小，即导电性变强.由非织造布的结构和聚吡咯导电织物的导电原理分析可知，织物的面密度越大，则相同面积内的纤维含量越大，气相聚合时掺杂在纤维内部及吸附在织物表面的聚吡咯导电分子的数量也就越多.20#，21#，22#，23#试样的聚吡咯沉积量分别为0.0201，0.0261，0.0275，0.0326g，依次增大，得到的非织造布表面比电阻依次减小，即导电性依次增强.

3 结 论

(1) 经过气相化学聚合法制得的导电针织物、机织物及非织造布，其织物表面沉积的聚吡咯都较为均匀充分.

(2) 在织物组织相同的情况下，纱线线密度或织物密度越大，针织物导电性越好，可根据其导电性随纱线线密度或织物密度的变化进一步开发柔性可变电阻.

(3) 在织物组织相同的情况下，织物密度越大，机织物的导电性越好.在一定范围内，织物的纱线线密度越大，其导电性越好，而当纱线线密度过大时，机织物导电性反而会有所下降.在纱线线密度和织物密度相同的情况下，改变织物组织，绉组织、8/3纬面缎纹和蜂巢组织这3种织物的导电性有所不同.可根据其导电性随织物密度或织物组织的变化进一步开发柔性可变电阻.

(4) 在选用的原料和生产方法相同的情况下，非织造布的面密度越大，其导电性越好.可根据其导电性随非织造布面密度的变化进一步开发柔性可变电阻.

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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，浙江绍兴人，硕士研究生，研究方向为导电智能纺织品.E-mail:2110027@mail.dhu.edu.cn

庄勤亮(联系人)，女，副教授，E-mail:qlzhuang@dhu.edu.cn

TS 106.6

A