导电聚合物基纺织复合材料的应用

马珮珮,王军庆,朱乐乐,李保荣

(西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安710048)

近年来,随着智能可穿戴的发展[1-2],基于纺织物的应变传感器由于具有良好的透气性和舒适柔软性,可进行拉伸、压缩和弯曲,更符合人体可穿戴等特点,受到了越来越多的关注[3]。为了实现纺织物基电子设备的智能化,对应变传感器的灵敏度、长期稳定性及耐久性提出了相应的要求[4-6]。导电聚合物涂层纺织复合材料由于其灵活性、耐用性、易于制备和应用,在应变传感器领域有着较为广泛的应用[7]。

导电聚合物是一类新型的有机材料,一般是电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子受体或供体进行掺杂后制得的,其融合了金属和传统聚合物的优点,表现出良好的电学性能,因而有着广泛的应用[8-9]。导电聚合物的共同特征是共轭,即单键和双键的交替,因此π共轭链的合成是导电聚合物科学技术的核心。在共轭体系中,电荷载流子是离域的,为电荷沿着聚合物链的主链迁移提供条件[10]。在导电聚合物中,聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩因其良好的环境稳定性和导电性、易于合成、生物相容性好、表面改性容易、比表面积大等优点而受到广泛关注。导电聚合物可以通过熔融纺丝和湿法纺丝技术制造导电纤维。但由于高分子链之间的强作用,此方法不易操作。此外,通过纺织物与导电材料、导电聚合物的功能化也被认为是一种很有前途的方法。还可以通过与非导电聚合物和碳衍生物、金属粒子或电活性聚合物混合,以形成导电特性[11]。文中分别综述了聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等导电聚合物基纺织复合材料在应变传感器的应用,并对未来发展进行了展望。

1 聚苯胺基纺织复合材料传感器

聚苯胺作为一种合成简单、热稳定性好、可加工性好、在刚性或柔性表面上具有良好的附着力、导电率最高的低成本高分子化合物,受到越来越多的关注[12-14]。虽然聚苯胺通常与织物基材有着高黏附性,但由于涂层中存在非导电聚合物材料,导致材料具有相对较低的导电性,因此通常与其他导电填料复合制备性能更好的应变传感器。Huang等[15]采用旋涂法将高导电聚苯胺(PANI)聚合物、石墨烯纳米片(GNPs)和少量硅橡胶(SR)复合到弹性莱卡织物上,制成应变传感器,证明了织物应变传感器能够检测和监测人体手指的弯曲角度。通过PANI和GNPs的包覆结构,复合织物可承受40%的最大应变,并具有良好的拉伸和弯曲特性。织物应变传感器的应变系数达到67.3,与没有聚苯胺微粒的传感器相比,有大约4倍的改进。Deoliveira等[16]以棉、涤纶针织物为基材,以盐酸或磷酸掺杂聚苯胺为基材,研制柔性传感器。通过原位反应在针织物上沉积聚苯胺、聚合合成和掺杂苯胺单体。采用石墨分散体制备传感器电极,每种基底的制备方法不同。传感器的主要评估是在氮气(N2)下的湿度室中进行的,采用干燥和湿润循环。根据掺杂剂和基质类型,感官设备对湿度的反应存在显著差异。在所有测试中,传感器对环境条件变化的响应非常好,对相对湿度的变化反应迅速,灵敏度高达34%。Maity等[17]用苯胺原位化学聚合法制备了聚苯胺(PANI)功能化多壁碳纳米管(MWCNTs),并将其喷涂到织物上,制成可穿戴的传感器,MWCNTs/PANI织物传感器在较宽的弯曲范围内(从90°到270°)基本电阻没有明显变化,显示出良好的耐磨性。结果表明,PANI包覆的多壁碳纳米管的传感响应比多壁碳纳米管和聚苯胺强,该传感器具有灵敏度高、快速响应性优良和恢复时间快的优点。

2 聚吡咯基纺织复合材料传感器

聚吡咯(PPy)具有导电性高、环境稳定性好、附着力好、无毒等优点,是智能纺织品中最重要的导电聚合物之一。它的特点是具有良好的导电性、直接聚合、生物相容性、环境稳定性和可通过改变掺杂程度来控制导电性。应变传感器用聚吡咯涂层纺织品有着广泛的应用前景[18-19]。Zhang[20]等制备PPy涂层的莱卡/锦纶混纺织物,并进行了反复拉伸试验和环境稳定性试验。结果表明,该导电织物灵敏度高,工作应变范围大(W50%),稳定性好。在此基础上,设计了可穿戴数据采集手套和康复训练系统,并用研制的导电织物制作了原型。Li[21]等制备了聚吡咯涂层应变传感器,并对其进行了测试,讨论了包覆纱结构对传感器的电力学性能的影响。低温界面聚合是一种简单、经济、高效的方法,可以在两相界面上以较低的反应速率制备均匀的PPy薄膜。Chen[22]等将PPy通过低温界面聚合固定在由聚酯和氨纶编织的可拉伸织物上,以制备用于人体运动和呼吸测量的导电应变传感器。涂有PPy的纺织品可用作电导体来点亮LED 灯。而且,该织物可以在180°的角度和500 倍的弯曲加捻循环中耐受折叠。这些传感器被安装在志愿者的身体或衣服上,用于实时测量人体的运动和呼吸。这项研究可以提供一种在纺织品上均匀、致密地涂覆导电聚合物的方法,以用于高度敏感和可拉伸的传感器,在实际应用中具有巨大潜力,可用于实时监测人体运动和生理信号。

3 聚噻吩基纺织复合材料传感器

在众多的导电聚合物中,聚噻吩作为一种聚合物材料,具有非常小的尺寸和较宽的导电范围,可以从绝缘到金属范围控制导电性。在掺杂后表现出高导电性和良好的热稳定性[23-25]。与其他导电聚合物一样,聚噻吩具有刚性的共轭芳香主链结构,使其不溶于大多数有机和无机溶剂[26]。Jerkovic等[27]等制备了一种基于导电聚合物复合物聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)的新型纺织纤维传感器。通过对该聚合物复合物渗透阈值的初步研究,确定了纱线处理用导电涂料。通过对导电干膜的电学特性分析,确定了渗透阈值,以期开发出高灵敏度的传感器。设计并制造了一种新型的纱线涂层实验室设备,以确保导电聚合物涂层的有效性和均匀性,而不会影响织物性能。纺织纤维传感器的电力学性能证实了其适用于纺织增强热塑性复合材料结构损伤的实时检测。

4 结语

为了满足体育和医疗等领域的新机遇,柔性智能纺织品的需求日益增加。导电聚合物基纺织应变传感器具有良好的传感特性、灵活性,在实时健康监测、人体运动等领域具有广阔的应用前景。导电聚合物溶液涂层纺织材料是将非导电纺织品转化为导电结构的一种简便方法。它不仅在抗静电应用中引起了极大的兴趣,而且在应变传感器领域具有广泛的应用。但仍存在一些问题,由于在涂层过程中存在非导电聚合物材料,导致具有相对较低的导电性。因此加强工艺、结构及材料等方面的突破与创新,实现批量化是未来导电聚合物基纺织材料的发展方向之一。