织物导电整理及其在传感器方面的应用研究

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近年来,随着人们对纺织品功能的要求,功能性纺织品的开发得到了广泛的研究。纺织品向智能化和多功能化方向的发展,随着柔性可穿戴产品的发展,导电材料作为导电织物的主要材料之一成为了众多研究人员的研究对象。导电聚吡咯(PPy)和氧化石墨烯(GO)的优良性能为织物的导电整理提供了研究方向,为导电织物在柔性传感器领域的应用提供了可能。本文以涤纶织物为基材,采用原位氧化聚合法对织物进行导电整理,通过单因素分析法研究了吡咯单体浓度、氧化聚合时间和氧化剂FeCl3浓度对PPy涤纶导电织物电阻的影响,在单因素实验的基础上通过正交实验优化了利用PPy制备导电涤纶织物的实验工艺。然后通过浸渍法利用GO对涤纶织物进行导电整理,分析了GO浓度和整理次数对石墨烯(rGO)导电涤纶织物电阻的影响。最后采用GO整理得到rGO涤纶导电织物后,吡咯在氧化原位聚合在rGO涤纶导电织物表面的方法制备了PPy/rGO复合涤纶导电织物。通过SEM、XPS和织物电阻研究了导电织物的表观形态、表面元素和导电性能。通过单因素实验和正交实验优化,确定最优实验方案。研究了不同工艺下涤纶导电织物电阻、传感性能、对肘关节、指关节、心脏的运动监测和耐水洗耐摩擦牢度。通过实验分析得到以下结果:首先,采用化学原位氧化聚合法制备PPy涤纶导电织物,研究了吡咯单体浓度、聚合时间和氧化剂FeCl3浓度对织物导电性能的影响,设计正交实验优化实验工艺条件:吡咯单体浓度为15 g/L,聚合时间为2 h,氧化剂FeCl3浓度为60 g/L。PPy涤纶导电织物电阻为1.406 K?,应变传感系数为7.302,能有效监测指关节和肘关节的运动。通过耐水洗和耐摩擦性能测试,PPy涤纶导电织物具有较好的耐水洗性能和耐干湿摩擦性能,且耐湿摩擦性能优于耐干摩擦性能。其次,采用浸渍法制备rGO涤纶导电织物,研究了GO浓度和浸渍次数对织物导电性能的影响,结果表明当GO浓度为4 g/L,浸渍次数为10时织物具有良好的导电性能,其电阻值为2.08 K?,应变传感系数为2.413,能监测指关节和肘关节的运动。通过耐水洗和耐摩擦性能测试,经超声波震荡120 min之后电阻保持在3.9 K?,干湿摩擦50次后电阻继续增加,其耐摩擦性能优于耐水性性能。最后,采用吡咯原位氧化聚合在浸渍法整理的rGO涤纶导电织物上制备出PPy/rGO复合涤纶导电织物。在吡咯原位氧化聚合制备导电涤纶织物和GO浸渍法制备导电织物的基础上,通过正交实验得出最佳复合制备工艺,GO浸渍次数为10次经过还原处理后,在冰水浴中,吡咯单体浓度为15 g/L,氧化原位聚合反应时间为2 h。经过对在此工艺下制备的PPy/rGO复合涤纶导电织物具有良好的导电性能,其电阻值为0.307 K?。经过应变传感性能测试,织物应变传感系数为6.502,具有优良的响应性能。通过对PPy/rGO复合涤纶导电织物在运动状态的心脏监测,可以发现PPy/rGO复合涤纶导电织物可以稳定迅速的反应运动状态中心脏各项指标,其中可以反应出心率、心脏每搏功、舒张压、收缩压和脉压差随运动变化的变化量,在运动中心脏监测领域有极大的应用价值。经过耐水洗和耐摩擦性能测试,得出PPy/rGO复合涤纶导电织物耐水洗和耐摩擦性能良好。
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