聚吡咯改性可拉伸织物的性能与应用研究

来源 :江南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:guojinhong
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因含有羟基、酰胺等这些能与导电物质(如金属、金属氧化物、碳材料、导电高分子等)相结合的官能团,原本不导电的纺织品(如棉织物、锦纶织物等)可以通过物理或化学沉积等手段被改性成导电织物。由于继承了纺织品基材柔软、可弯曲、可拉伸、质轻等特点以及具有了导电性,导电织物引起了研究者们的浓厚兴趣。因其能与服装集成,是最被看好的柔性可穿戴电子材料。聚吡咯(PPy)具有π电子共轭骨架、良好的导电性以及质子或阴离子掺杂特性,与织物结合后在光吸收、太阳能热转换、赝电容储能、应变传感器、气体传感器、电化学执行器等方面具有很好的应用潜力。原位聚合法可以简单、快速地制备PPy导电织物,然而在溶液体相中聚合沉积到织物基材上的PPy有限,大部分都在溶液中聚合并沉降到溶液底部。PPy含量对PPy导电织物的导电性及应用性能具有非常大的影响,如何进一步提高PPy含量是提升PPy导电织物性能的关键。织物的种类和组织结构也会对PPy导电织物的性能造成影响,不同基材的PPy导电织物其共性和差异性尚有待研究。另外,虽然PPy具有良好的导电性,但半导体属性使其仍无法取代金属材料,较大尺寸的PPy导电织物其电阻对性能的影响不能忽略。本论文旨在开发高性能PPy导电织物制备工艺以及改变织物内在结构电路来进一步提高其应用性能,针对PPy导电织物的制备条件、导电性、传感机理、电热和储能性能、集流方式等进行研究。通过水解沉积法在锦纶织带(NS)的纤维表面搭建β-Fe OOH支架,原位聚合沉积PPy后所得PPy/β-Fe OOH/NS-x比无β-Fe OOH的对照样品PPy/NS-x在每一个吡咯(Py)浓度(x,x=2.5、5.0、10.0、12.5、15.0,g L-1)下都负载了更多PPy。PPy/β-Fe OOH/NS-12.5和PPy/NS-12.5的PPy负载量分别为1.45 mg cm-2和1.15 mg cm-2,电阻率分别为10.1Ω·cm和16.5Ω·cm。通过涂覆法可以提高NS基材上的β-Fe OOH支架含量,进一步增加原位聚合沉积的PPy负载量,在12.5 g L-1 Py浓度下制得的PPy/β-Fe OOH-coated/NS其PPy负载量达到3.09 mg cm-2,电阻率为5.2Ω·cm。较好的导电性使PPy/β-Fe OOH-coated/NS在4、8、12 V电压下的电热温度达到30.2、59.4、97.2℃,高于PPy/β-Fe OOH/NS-12.5和PPy/NS-12.5的。率先采用β-Fe OOH支架修饰锦纶纤维,为导电锦纶的性能提升提供了新路径。PPy/β-Fe OOH-coated/NS在800 mm min-1速率下拉伸5%应变的响应时间为140 ms,在经过数千次50%应变拉伸-回复后仍保留着相对较好的传感灵敏性。在恒速定向拉伸过程中,PPy/β-Fe OOH-coated/NS的纱线和纤维产生滑移和接触两个过程,电阻先变大随后基本不变。在拉伸-回复过程中,由于内部回复力的存在,拉伸-回复速率的快慢、拉伸应变的大小都会造成PPy/β-Fe OOH-coated/NS电阻的不同变化。在按压过程中,PPy/β-Fe OOH-coated/NS电阻先增大再减小。将PPy/β-Fe OOH-coated/NS固定在膝盖处监测膝盖弯曲的过程中由于受到拉伸和按压两种作用力,结合拉伸和按压两种电阻变化机理对监测到的传感信号进行解析。该方法提供了新的传感信号分析思路,可扩展到其它应变传感材料中。在棉织物(CF)基材上原位聚合沉积PPy制得PPy/CF-x,并将其与锦纶基PPy导电织物PPy/β-Fe OOH-coated/NS、PPy/β-Fe OOH/NS-12.5、PPy/NS-12.5进行对比,研究基材对PPy导电织物性能的影响。PPy在NS和CF基材上的生长机理相似,且PPy负载量和织物导电性都随Py浓度增加而增加。PPy/CF-15.0的PPy负载量达到4.47 mg cm-2,电阻率为2.5Ω·cm,在4、8、12 V电压下的电热温度为32.0、68.0、116.7℃,高于锦纶基PPy导电织物。PPy以颗粒状存在于纤维表面,形成的粗糙结构使所得PPy导电织物都表现出良好的疏水性。在PPy/CF-x中,PPy/CF-12.5表现出最高的面积容量(5-100 m V s-1时为823.5-142.0 m F cm-2,1-10 m A cm-2时为1113.3-800.0 m F cm-2)。由于具有较高的PPy负载量以及较好的导电性,PPy/CF-12.5电极及所组装的对称性超级电容器表现出比锦纶基PPy导电织物电极与器件更高的储能性能。与锦纶基PPy导电织物拉伸时电阻变大的现象不同,PPy/CF-15.0在拉伸过程中其电阻先略微增大然后主要体现为下降趋势;但由于拉伸状态下织物内部形成很多散热的空洞结构,因此PPy/CF-15.0与锦纶基PPy导电织物在拉伸状态下都表现出比未拉伸状态更低的电热温度。由于导电性较好,PPy/CF-15.0和PPy/β-Fe OOH-coated/NS在16 V电压下的电热温度超过136.5℃,对PPy结构造成破坏,导致电阻增大,电热温度逐渐降低。在8 V电压下持续电热8天的过程中,PPy导电织物的电热温度也会逐渐降低,且电阻越小的最终温度保留率越小。由于水洗会使掺杂到PPy链上的Cl-脱掺杂,因此水洗后PPy导电织物的电阻都急剧增大,在16 V电压下电热温度与室温基本相同。与单对不锈钢鳄鱼夹集流的情况相比,3对不锈钢鳄鱼夹对PPy/CF-12.5(5 cm×5cm)平行并联集流不仅扩大了PPy/CF-12.5的电热区域,还使整个电热器的电阻从135.8Ω降至55.9Ω,在8 V恒定电压下的平均电热温度从37.0±8.9℃增至51.0±5.5℃。用4个不锈钢鳄鱼夹对PPy/β-Fe OOH-coated/NS叉指并联集流,其电阻从175Ω减小到19Ω,在4 V电压下的电热温度达到84.1℃。中点集流可以使PPy/CF-12.5(2 cm×1 cm、4 cm×1 cm)更多部分电化学储能,表现出比端点集流更高的容量。采用3个集流体对PPy/CF-12.5(4 cm×1 cm)平行并联集流能进一步提高其容量,电极在5-100 m V s-1扫描速度下的面积容量为542.0-37.2 m F cm-2,在4-20 m A电流(0.5-2.5 m A cm-2)下的面积容量为868.8-853.1 m F cm-2。这一重构PPy导电织物内在电路以提高应用性能的新方法,可拓展到其它材料中。
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