印制法PEDOT:PSS导电涤纶织物的制备

黄书彦，夏慧宝，曹机良

（河南工程学院化工与印染工程学院，河南郑州 450007）

随着科技水平和生活水平的提高，普通的纺织品已经不能满足人们的日常需求，相应的智能纺织品应运而生［1］。因此，智能纺织品或将成为人们日常生活中必不可少的必需品，并且在众多领域占据的地位也越来越重要［2］。智能纺织品的设计、开发给纺织行业的未来带来希望和再创造的可能，前景一片光明［3］，具有导电功能的导电纺织品是其中一个重要组成部分。当前，常见的导电介质材料有金属、导电聚合物［聚苯胺、聚吡咯、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)等］、导电碳材料（石墨烯、碳纳米管等）等［4-8］，其中，聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)即PEDOT：PSS研究的历史可以追溯20世纪80年代。因聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)（PEDOT）的水溶性很差，要提高水溶性，可将聚苯乙烯磺酸钠盐（PSS）掺杂到PEDOT混合溶液中，经处理后就能得到水溶性高的PEDOT：PSS［9-11］。

本课题将PEDOT：PSS与黏合剂、增稠剂等制备成印花色浆，将PEDOT：PSS导电色浆印制于涤纶织物表面，探究其印制性能，以期为PEDOT：PSS印制法导电涤纶织物的制备提供一定的借鉴。

1 实验

1.1 材料与仪器

织物：涤纶，55.6 dtex×83.3 dtex，93 g/m2。试剂：聚(3,4-乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)（分析纯，上海源叶生物科技有限公司），合成增稠剂WZ-109（广州市中万新材料有限公司），涂料印花黏合剂Hansi PDM（江苏汉诺斯化学品有限公司）。仪器：JJ-1电动搅拌器（金坛市华峰仪器有限公司），KQ-300B超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司），TG16台式高速离心机（长沙英泰仪器有限公司），DZF-6020真空干燥箱（常州未来仪器制造有限公司），PC-GX定形烘干机（上海一派印染技术有限公司），QM-3SP04行星式球磨机（南京南大仪器有限公司），RC-MP2000磁棒印花机（上海灿孚机电有限公司），SW-12A耐洗色牢度试验机（温州方圆仪器有限公司），1604070摩擦色牢度仪（南通宏大实验仪器有限公司），Quanta 250扫描电子显微镜（捷克FEI公司），ST2258C型多功能数字式四探针测试仪（苏州晶格电子有限公司）。

1.2 制备方法

1.2.1 PEDOT：PSS的研磨

用电子天平称取20 g含固量为10%的PEDOT：PSS（使用前经过浓缩）于球磨罐里，再量取25 mL蒸馏水倒入球磨罐中，把球磨罐盖好，检查密封性完好后，放入行星式球磨机中，研磨24 h待用。

1.2.2 PEDOT：PSS色浆的制备

取容积约50 mL的搪瓷缸，分别称取PEDOT∶PSSx、黏合剂y、合成增稠剂z，再加适量水补充至色浆总质量为20 g，不断搅拌，直到得到黏稠状的色浆。

1.2.3 印制导电涤纶织物

将制备的色浆用磁棒印花机印制于涤纶织物表面，然后立即将织物于80℃烘5 min，再在不同温度和时间下进行焙烘。

1.3 测试

1.3.1 表面电阻

采用四探针测试仪测试印制涤纶织物的表面电阻，每个试样测试16次，取平均值并求标准偏差。

1.3.2 SEM

将样品按照编号依次粘贴于样品台上，喷金后放于SEM样品观察室中并抽真空，然后根据实验需求对试样进行扫描。仪器测试加速电压为1.5 kV。

1.3.3 耐洗性能

根据AATCC 135—2000将PEDOT：PSS印制涤纶织物进行洗涤后，测量其表面电阻。

1.3.4 耐摩擦性能

按照GB/T 3920—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》测试，在对印制织物的摩擦完成后，将其烘干、平衡干燥，测量其表面电阻。

2 结果与讨论

2.1 织物导电性能的影响因素

2.1.1 黏合剂用量

固定PEDOT：PSS 5.0 g/L，合成增稠剂0.3 g/L，黏合剂用量对PEDOT：PSS印制涤纶织物导电性能的影响如表1所示。由表1可以看出，不添加黏合剂，涤纶织物水洗后的表面电阻很大，超出了测试仪的量程；当黏合剂用量大于5.0 g/L后，织物的表面电阻越来越大；当黏合剂用量为15.0 g/L时，涤纶织物的表面电阻为27.43 MΩ/cm，表面电阻很大，导电性能差。因为黏合剂用量的增加使得导电织物的牢度提高，并逐渐达到稳定，但用量过多，过量的黏合剂覆盖在织物纤维表面形成薄膜，覆盖了PEDOT：PSS导电层，使织物的表面电阻变大。为了提高织物的导电性，要控制好黏合剂的用量。当黏合剂用量为5.0 g/L时，涤纶织物表面电阻为0.21 MΩ/cm，且织物的耐洗性能较好。

表1 黏合剂用量对涤纶织物导电性能的影响

2.1.2 合成增稠剂用量

固定PEDOT：PSS 5.0 g/L，黏合剂5.0 g/L，合成增稠剂用量对PEDOT：PSS印制涤纶织物导电性能的影响如表2所示。由表2可以看出，在色浆配制不添加合成增稠剂时，涤纶织物的表面电阻比添加合成增稠剂时大，导电性能较差，因为色浆中合成增稠剂的作用是让导电色浆具有一定的流变性，使有效的导电物质PEDOT：PSS能很好地与织物纤维结合，从而提高织物的导电性能。当合成增稠剂用量为0.1～0.5 g/L时，涤纶织物的表面电阻随着合成增稠剂用量的增加先减小后增大；当合成增稠剂用量为0.1、0.2 g/L时，导电色浆过稀，不易成糊状，不利于印制或印制导电层的厚度较小，导电层的连续性较差；当合成增稠剂用量为0.5 g/L时，导电色浆过于黏稠，印制过程中大部分色浆都粘在磁棒上，使导电色浆难以印制到织物上，导电层的连续性和牢度变差。结合工艺和实际的具体要求综合分析，当合成增稠剂用量为0.3 g/L时，导电色浆易成糊状，印制后涤纶织物的表面电阻为0.21 MΩ/cm。

表2 合成增稠剂用量对涤纶织物导电性能的影响

2.1.3 PEDOT：PSS用量

固定合成增稠剂0.3 g/L，黏合剂5.0 g/L，PEDOT：PSS用量对印制涤纶织物导电性能的影响如表3所示。由表3可知，当PEDOT：PSS用量为1.0 g/L时，涤纶织物的表面电阻远大于PEDOT：PSS用量为3.0、5.0、10.0、15.0 g/L时的表面电阻，这表明PEDOT：PSS用量对织物的导电性能起了决定性作用。涤纶织物的表面电阻随着PEDOT：PSS用量的增加而减小，当用量增加到一定程度时，织物表面电阻的降低趋势变缓。而且当PEDOT：PSS用量为10.0、15.0 g/L时，导电色浆的印制性变差，成本增加。结合实际生产，选择PEDOT：PSS 5.0 g/L，涤纶导电织物的表面电阻为0.21 MΩ/cm。

表3 PEDOT：PSS用量对涤纶织物导电性能的影响

2.1.4 焙烘温度

固定PEDOT：PSS 5.0 g/L，合成增稠剂0.3 g/L，黏合剂5.0 g/L，焙烘时间4 min，焙烘温度对PEDOT：PSS印制涤纶织物导电性能的影响如图1所示。由图1可知，随着温度的升高，涤纶织物的耐洗性能逐渐提高；但焙烘温度达到150℃以后，水洗后导电涤纶织物的表面电阻最低，导电性最佳。这是因为焙烘温度升高，黏合剂在纤维表面的成膜性越佳，黏合剂在纤维表面的成膜变得紧密、完整。成膜性越佳，一方面使得导电涤纶织物的耐洗性能提高，另一方面膜对导电色浆中PEDOT：PSS的裸露和连续性有一定的阻碍作用，故随着焙烘温度的升高，导电性下降，但耐洗性能提高。综合考虑，最佳的焙烘温度为150℃。

图1 焙烘温度对涤纶织物导电性能的影响

2.1.5 焙烘时间

固定PEDOT：PSS 5.0 g/L，合成增稠剂0.3 g/L，黏合剂5.0 g/L，焙烘温度150℃，焙烘时间对PEDOT：PSS印制涤纶织物导电性能的影响如表4所示。由表4可以看出，随着焙烘时间的延长，涤纶织物的表面电阻逐渐增大；在焙烘时间为4 min时，涤纶织物的表面电阻为0.21 MΩ/cm，有较好的耐洗性能。主要原因是焙烘时间太短，黏合剂难以在纤维表面成膜，导电色浆中的PEDOT：PSS不能很好地在黏合剂作用下与纤维结合固着，织物虽有导电性但耐洗性能不好。故最佳焙烘时间为4 min。

表4 焙烘时间对涤纶织物导电性能的影响

2.2 PEDOT：PSS导电织物的性能

2.2.1 耐摩擦性能

PEDOT：PSS导电织物的摩擦性能如表5所示，涤纶织物的表面电阻在经过干摩擦和湿摩擦处理后都有一定程度的增加，而且干摩擦处理后的表面电阻小于湿摩擦处理后的表面电阻。

表5 PEDOT：PSS导电涤纶织物摩擦前后的表面电阻

2.2.2 耐洗性能

由表6可以看出，随着水洗次数的增加，涤纶织物的表面电阻逐渐增大；水洗30次后，涤纶织物的表面电阻比水洗前增大了104.8%。

表6 PEDOT：PSS导电涤纶织物的耐洗性能

主要原因是织物在经过水洗后，黏合剂所成的膜一部分在水的冲击下发生破裂，纤维表面一些粘附性不强的PEDOT：PSS容易脱落，导致织物的导电性能下降。

2.2.3 表面形貌

由图2a可以看出，涤纶原布的表面有“凹槽”，说明该涤纶织物经过了碱减量加工。由图2b可以看出，导电色浆中不添加黏合剂时，涤纶织物纤维表面存在一层薄膜，因为PEDOT：PSS本身具有一定的成膜性；但由图2c可以看出，水洗后涤纶织物表面的PEDOT：PSS存在明显的裂痕，因为PEDOT：PSS较难稳定地固着在涤纶织物表面，且PEDOT：PSS薄膜的机械强度较差，水洗后容易破裂。由图2d可以看出，在导电色浆中加入一定量的黏合剂后，涤纶织物表面形成一层连续、均匀的薄膜。由图2e可以看出，水洗后，黏合剂所成膜仍在织物表面，说明黏合剂分子与涤纶纤维大分子之间进行了充分的交联，生成的薄膜机械性能良好，PEDOT：PSS能与纤维稳定结合，水洗后薄膜基本能保持原本的形貌，耐洗性能良好。

图2 PEDOT：PSS导电涤纶织物的SEM（5 000倍）

3 结论

（1）PEDOT：PSS导电涤纶织物的最佳制备工艺为：PEDOT：PSS 5.0 g/L，黏合剂5.0 g/L，合成增稠剂0.3 g/L，150℃焙烘4 min，涤纶织物的表面电阻降至0.21 MΩ/cm。

（2）导电涤纶织物的耐干摩擦牢度都要大于耐湿摩擦牢度，水洗30次后，涤纶织物的表面电阻比水洗前增大了104.8%。

（3）导电涤纶织物纤维表面已经存在通过黏合剂膜与织物相结合的PEDOT：PSS。