丝素蛋白改性PBT纤维的导电处理研究

吴 楠 吴惠英 刘泽华 薛红茹 周 燕

（苏州经贸职业技术学院，江苏苏州，215009）

智能纺织最早是在1979年被提出，最早被开发出来的是日本研发的可进行形状记忆的蚕丝［1］，但这一概念直到20世纪90年代后期才被更多人接受。目前，该项研究已经是将纺织、医学、电子等多学科紧密结合的新学科，它充分将纺织新材料、纺织技术与传感、通讯等技术结合来开发功能产品［2］。以纺织品为基材进行柔性传感器的研制在一定程度上已取得了部分应用，而导电纤维是开发具有导电功能智能纺织品的重要原料，目前导电纤维有金属系、碳系、金属化合物和导电高分子材料［3］，能够将电信号进行有效探测及传输。采用导电纤维制备传感器材料可以获得柔韧、便于携带的优点，成为开发信息传感等智能纺织品的首选材料。

聚吡咯是导电高分子材料中的一种，将其应用到导电纤维的制备上工艺简单，可操作性强。本研究以丝素蛋白改性PBT纤维（以下简称SF/PBT复合纤维）为基材，利用FeCl3作为氧化剂、吡咯为导电材料，制备SF/PBT复合导电纤维，分析氧化剂浓度对SF/PBT复合导电纤维表面形态、导电性以及力学性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料

本研究所用SF/PBT复合纤维规格为265 dtex/36 F（自制）。SF/PBT复合纤维的生产工艺是在PBT纤维纺丝过程中加入了丝素蛋白纳米颗粒制备形成。试剂：氯化铁（FeCl3，无锡市标普化学试剂有限公司）；吡咯单体（Py，无锡市亚琴联合化工有限公司）。

1.2 试验测试仪器

Hitachi S⁃570型扫描电子显微镜（日本Hita⁃chi公司）；Instron3365型万能材料试验机（美国Instron公司）；ZC⁃90G型高绝缘电阻测试仪（上海强佳电气有限公司）。

1.3 SF/PBT复合纤维的导电化处理

1.3.1 FeCl3溶液的制备

以FeCl3为氧化剂，将不同质量的FeCl3分别溶于定量的去离子水中，制备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复合纤维的导电化处理

纯聚吡咯（PPy）导电性并不是很好，但可以通过掺杂的方式改善其导电性。试验中FeCl3起着氧化剂和掺杂剂的双重作用。在SF/PBT复合导电纤维制备过程中，FeCl3是一种金属盐掺杂剂，在合成过程中进入到聚合物材料中，同时给PPy提供氧化环境，对导电性的提高有促进作用。

SF/PBT复合导电纤维的制备：将SF/PBT复合纤维放置在配置好的FeCl3溶液中浸泡60 min，取出晾干；将处理后的纤维固定在培养皿上，将1 mL的Py溶液（单体）倒入培养皿中均匀平铺，保证培养皿上端固定的纤维能够充分接受到Py的作用，将培养皿放置-5℃环境下充分反应24 h，取出样品用去离子水清洗，得到SF/PBT复合导电纤维，制备过程见图1。

图1 基于PPy复合导电纤维的形成示意图

1.4 性能测试

1.4.1 表面形态测试

利用Hitachi S⁃570型扫描电子显微镜对导电处理前后的SF/PBT复合纤维测试观察，测试前将纤维进行喷金处理，厚度约20 nm～30 nm。

1.4.2 增重率测试

测试导电处理前后SF/PBT复合纤维质量，并按照式（1）计算纤维的增重率。

式中：η为增重率（%），M2为导电处理后纤维重量（g），M1为导电处理前纤维重量（g）。

1.4.3 电导率测试

利用ZC⁃90G型高绝缘电阻测试仪对SF/PBT复合导电纤维进行电阻测试，电阻量程为0Ω～2×1017Ω，纤维有效测量长度2 cm，纤维电导率计算见式（2）。

式中：σ为电导率（S/cm），L为纤维长度（cm），R为纤维电阻（Ω），S为纤维截面积（cm2）。

1.4.4 力学测试

利用Instron3365型万能材料试验机对纤维的力学性能进行测试，测试距离250 mm，拉伸速率250 mm/min，初始张力0.2 cN。

2 结果与分析

2.1 FeCl3浓度对纤维表面形貌的影响

图2是经过不同浓度FeCl3溶液处理后的纤维表面形貌。

图2 不同浓度FeCl3处理后纤维的表面形貌

由图2可以看出，未处理的纤维表面在局部有凹凸颗粒，这主要是由于丝素蛋白颗粒的加入引起的。经过导电处理后，随着FeCl3溶液浓度的增加，纤维表面形成的导电材料增多。当FeCl3浓度为0.2 mol/L和0.4 mol/L时，导电材料PPy已经生成，但只是散落在纤维表面的局部，形成的PPy主要是颗粒状的结构［4］；当FeCl3浓度增至0.6 mol/L，出现了微孔结构的PPy；当FeCl3浓度达到0.8 mol/L时，在纤维的表面能够看到相对均匀的结构，几乎覆盖了材料的表面，PPy基本完全覆盖到纤维表面；当FeCl3溶液浓度为1.0 mol/L时，在纤维的一些位置还可以看到聚集状的类似“菜花”一样的微孔结构［5］。

2.2 SF/PBT复合导电纤维的增重率和电导率

SF/PBT复合纤维导电处理前后的增重率和电导率见表1。SF/PBT复合纤维经过FeCl3溶液处理后，FeCl3溶液会进入到纤维的内部，SF/PBT复合纤维的增重率随着FeCl3溶液浓度的增加而增加。溶液中FeCl3越多，能够有效提高FeCl3进入到纤维内部，在纤维进行后续的Py处理时，有利于纤维吸附Py，增加FeCl3与Py的接触，提高了单体的转化率［6］。因此，相应的SF/PBT复合导电纤维的电导率也越大，当FeCl3溶液浓度为0.2 mol/L时，电导率为7.53×10-5S/cm，当FeCl3溶液浓度增加到1.0 mol/L时，电导率增加到7.38×10-2S/cm，随着形成的PPy增加，在纤维的表面形成了连续的导电通道，利于载流子通行［7］，纱线电导率开始急剧增加，试验数据表明，SF/PBT复合导电纤维的电导率随着FeCl3溶液浓度的增加而增加。

表1 FeCl3浓度对纤维增重率和电导率的影响

2.3 SF/PBT复合导电纤维的力学性能

SF/PBT复合纤维经导电处理前后的力学性能变化见表2。

表2 FeCl3浓度对复合导电纤维力学性能的影响

纤维在导电处理过程中，受到氧化剂的作用，在一定情况下会影响纤维的强力，随着导电材料PPy的逐步生成，PPy会聚集在纤维表面，对纤维的力学性能又起到了一定的改善作用。与未处理的SF/PBT复合纤维相比，经过不同浓度的FeCl3溶液处理后，纤维的断裂强度和断裂伸长率有小幅度的降低，但总体下降不明显，说明本试验中的导电处理过程对纤维力学性能不会造成过大影响。FeCl3溶液浓度在0.2 mol/L时，断裂强度为34.18 cN/tex，断裂伸长率为14.19%，当浓度增加到1.0 mol/L时，断裂强度为32.34 cN/tex，断裂伸长率为12.04%。

3 结论

本研究提出了一种以FeCl3为氧化剂和掺杂剂、Py为导电材料，制备SF/PBT复合导电纤维的方法，研究了不同FeCl3溶液浓度对复合导电纤维的影响。试验结果表明：纤维表面生成的PPy随着FeCl3浓度的增加而增多，纤维的增重率、电导率随着FeCl3浓度的增加而增加，当FeCl3溶液浓度为1.0 mol/L时，纤维增重率为11.5%，电导率为7.38×10-2S/cm，通过力学性能测试结果显示，导电处理不会对纤维的力学性能造成较大影响。