智能紡織品電子信息論文

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1電子信息智能紡織品導電材料的種類

依據導電體不同對復合型導電高分子材料的分類見圖1。圖1依據導電體不同對復合型導電高分子材料的分類用于制備電子信息智能紡織品的導電高分子材料稱為導電聚合物，其具有明顯的聚合物特征，且若在兩端加上一定電壓，有明顯的電流通過。依據材料的組成，可以將導電高分子材料分為復合型和本征型兩大類［3］。前者是指將導電體加入到基體中構成的復合材料，后者是指基體本身具有導電功能的復合材料。本文主要討論前者，按其導電體的不同，將導電材料分為4種:金屬氧化物導電體，碳系導電體，結構型導電高分子，金屬系導電體。1．1金屬氧化物導電體在聚合物中添加金屬氧化物可制備導電復合材料。一般采用的導電體是氧化釩、氧化鈦、氧化鋅、氧化錫等粉末物質，目前最廣泛使用的是氧化鋅晶須(ZnOw)。1．2碳系導電體碳系導電體包括炭黑、石墨、碳纖維和碳納米管。炭黑是一種天然的半導體材料，能夠大幅度調整復合材料的電阻率(1～108Ω•cm)，如采用高溫氣相氧化和石墨化對炭黑進行處理，可以提高炭黑的比表面積和一定量炭黑吸收鄰苯二甲酸二丁酯的體積值，降低表面基團特別是含氧基團的含量，改善復合材料的導電性［3］。石墨是自然界發現的最硬的材料，具有很好的導電性和導熱性能，利用石墨制備的復合材料，如尼龍/石墨、聚苯胺/石墨復合材料均具備良好的導電能力。碳纖維的導電性能介于炭黑和石墨之間，其體積電阻率約為1200×10－6～300×10－6Ω•cm。在復合材料中，碳纖維可使其形成的導電滲濾通道的臨界體積分數很低，達到很高的導電性能所需的填充量很?。?］。碳納米管是一種新型的導電體，在納米纖維含量為0．5%～10%、碳納米管質量分數為0．1%～0．5%時，復合材料具有很高的導電性能。1．3結構型導電高分子使用較多的是聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等導電物質，這些高聚物不需要加入其他導電性物質而依靠本身結構即具有導電性。1．4金屬系導電體金屬系導電體包括純金屬粉末和金屬纖維。現階段應用最廣的金屬粉末是鐵粉和銅粉。一般情況下，金屬粉末的體積分數達到50%，會使導電復合材料的電阻率達到要求。將金屬纖維填充到聚合物基體中，可制成導電性能優異的導電復合材料，其體積電阻率1．0×10－3～106Ω•cm。目前應用較多的金屬纖維有銅纖維、不銹鋼纖維和鐵纖維等［5］。

2電子信息智能紡織品導電材料的制備

近年來，研究人員在電子信息智能紡織品導電材料的制備方面做了大量研究，筆者通過分析歸納將不同導電材料的制備方法分為4類，如圖2所示。2．1混入法2．1．1編織法將導電紗線整合在織物結構中LiuY．［6］等人設計出一種應用在智能紡織品上的柔性可伸縮的磷酸鐵鋰電池，將LiFePO4作為陰極，Li4Ti5O12作為陽極，固體聚氧化乙烯電解質作為分離層鋪在陰極和陽極之間，然后將這3層放置在液體聚合物溶液中，在50℃下使溶液蒸發，最后3層合并在一起成為一個電池條。由于該種材料具有熱塑性，故此條狀電池可以被切斷或者拉伸，并混入織物中。據報道，單個的電池條只能提供約0．3V的電壓，若將8個聚合物電池條與棉布材料編織在一起(見圖3)，用銅和鋁作為導電線把它們串聯起來，可以支持1個3V的發光二極管(LED)持續發光數小時(見圖4)。圖3電池條織入棉織物形成的導電線程圖48個聚合物電池條供1個3伏LED燈發光KinkeldeiT．［7］等人提出一種紡織品一體化的電子鼻系統織物(見圖5)，將4種非導電聚合物分別在四種相應的溶劑中溶解，同時加入炭黑作為導電的填料，利用超聲波震蕩使顆粒分散均勻，從而制成4種不同聚合物復合材料的氣體傳感器。當氣體傳感器吸收有機溶劑后膨脹，聚合物內部的炭黑填料顆粒之間的距離會增加，使傳感器的電阻發生變化。據報道，若使用柔性聚合物基板作為氣體傳感器的載體，將柔性聚合物基板形成的薄膜條(見圖6)作為襯緯織入織物，在經向織入導電絲與柔性薄膜條接觸，檢測接觸點的電阻變化，可以識別不同的溶劑蒸汽并對其進行分類。圖5被織入織物的電子鼻系統圖6基于柔性聚合物基材制成的薄膜條ZyssetC．［8］等人選用柔性塑料基板作為電子元件的載體，將它們切成條狀編織進紡織品。通過織入導線，在導線、條狀柔性塑料基板以及接觸點之間形成相互連接而成的總線拓撲型的編織網絡(見圖7)。據報道，導線和柔性塑料基板之間的接觸點可承受20N的剪切應力，若將溫度傳感器集成到條狀塑料基板上，織物的抗彎剛度將提高30%。圖7帶有導條和導線的機織物照片2．1．2改變紗線結構設置導電層和不導電層Gu，J．F．［9］等人開發出一種高靈活度的、基于導電聚合物而制備的具有高電容性能的纖維。通過在兩個低密度聚乙烯的絕緣片之間添加一種導電聚合物，從而創建一個簡單的卷狀電容器，然后把它們卷成一個圓柱體，放進高密度聚乙烯。通過加熱，經小孔噴出紡絲，形成一個直徑小于1mm的纖維。據報道，該電容纖維(見圖8)容納電荷的能力相當于同軸電纜的1000倍。圖8中心具有兩個電極的圓柱形電容器纖維GuoL．［10］等人設計了一種基于針織物的傳感器，將不銹鋼纖維作為導電紗線的外包紗線，將聚酰胺/萊卡的混合紗線作為芯紗，制作具有導電性能的包芯紗，然后制成針織物并測量其導電性能。據報道，以聚酰胺/萊卡混合紗線作為芯紗制成的針織物，其導電性能相對于以聚酰胺單一纖維作為芯紗制成的針織物有所提高。BaeJ．［11］等人提出一種用于操作電容式觸摸屏面板的導電織物，將鍍銀的尼龍絲作為芯絲，將50/50棉/羊毛混紡紗作為外包纖維，利用傳統的環錠細紗機制造導電紗線(見圖9)。據報道，使用該種導電紗線可以織成具有導電性能的緯編針織物，采用該種緯編針織物制作的手套。可用于在極端寒冷的氣候下操作電容式觸控面板的屏幕。圖9導電的環錠紡包芯紗的橫截面2．2化學鍍法張碧田［12］等人選用尼龍織物作為待鍍織物，經表面粗化、膠體鈀溶液活化及解膠處理后，進行化學鍍鎳。據報道，鍍層中磷含量較低，有利于改善鍍鎳織物的導電性能，提高其電磁屏蔽的效果。甘雪萍［13］等人將滌綸作為基布在一定濃度的NaOH溶液中浸泡去油，然后在含有強氧化性的酸性KMnO4溶液中進行粗化處理，經SnCl2和HCl的敏化處理以及PdCl2和HCl的活化處理后，再進行化學鍍銅和化學鍍鎳。據報道，織物的表面比電阻隨著鍍銅量的增加而顯著減小，鎳磷合金鍍層質量的增加只能使織物表面電阻略有下降，見圖10。纖維表面隨著銅的不斷沉積而變得光滑，但是鍍銅時間達到15min時，纖維表面開始出現一些圓形的瘤子，并且經過化學鍍鎳處理后不能被鎳層覆蓋。圖10織物化學鍍銅、鎳后的SEM照片2．3聚合法2．3．1氣相沉積聚合法楊楠［14］設計出一套制備聚吡咯導電織物的方案，以緯平針織物作為基布，經過NaOH溶液的去油處理后，將試樣經過一定濃度的對甲苯磺酸水溶液進行摻雜劑摻雜處理，再將試樣經過一定濃度的FeCl3•6H2O乙醇溶液進行氧化劑摻雜處理，最后讓吡咯蒸汽緩慢均勻地沉積在處理過的織物試樣上，得到聚吡咯導電織物。2．3．2現場吸附聚合法狄劍鋒［15］等人選定以錦綸/氨綸長絲共同編織的經編針織物作為基質，制備聚苯胺/錦綸/氨綸復合導電織物。首先將錦綸/氨綸織物試樣浸入苯胺單體溶液進行單體吸附處理，然后將處理后的織物置于氧化劑過硫酸銨和鹽酸反應液中，制得墨綠色的聚苯胺復合導電織物，再用鹽酸、丙酮、去離子水分別洗滌至溶液為無色，烘干后即得到聚苯胺/錦綸/氨綸復合導電織物。2．3．3液相化學吸附聚合法胡沛然［16］等人以棉織物為模板，通過簡單的“浸漬－干燥”過程，制備得到規則的氧化銦錫導電網絡，再將其與聚二甲基硅氧烷樹脂復合，得到復合柔性導電材料。據報道，氧化銦錫導電網絡/聚二甲基硅氧烷柔性導電復合材料彎曲后的電阻率從20Ω•cm增長到80Ω•cm，僅增加了3倍，在彎曲同樣的角度后，氧化銦錫納米顆粒/聚二甲基硅氧烷柔性導電復合材料的電阻率從20Ω•cm快速上升到超過1000Ω•cm，增長了近50倍，導電性能下降非常明顯，因此得出，氧化銦錫導電網絡的使用能夠在彎曲狀態下有效地保持材料穩定的電學性能。2．3．4電化學聚合法Kim［17］等人采用電化學聚合法對錦綸/氨綸混紡織物進行聚合，在不同的聚合條件、伸長率和重復拉伸次數下測量織物的導電性能。據報道，織物伸長率在40%時，其導電靈敏度達到最大，如果再增加則伸長率變化不明顯。導電織物的導電率會隨著拉力的增加而稍微下降。2．4納米涂層整理LimZ．H．［18］等人提出一種氧化鋅納米棒導電紡織品，讓氧化鋅納米棒在普通的棉織物纖維上均勻生長，最后得到高結晶度的納米棒導電織物。經過機械性能測試可知，納米棒織物有較強的抗壓和耐水洗性能，在室溫下，該導電織物可用于氣體和光學傳感器，用來檢測氫氣和紫外線。ZhangW．［19］等人用單壁碳納米管制備導電紗線，使用聚乙烯亞胺對棉紗進行預處理，用以提高碳納米管的親和力，然后將基于碳納米管制備得到的導電紗線作為化學電阻，通過檢測其電阻變化，可以在室溫下檢測氨氣的濃度，制成氨氣傳感器，見圖11。

3結語

微電子和納米技術的快速發展為電子信息智能紡織品領域帶來了更多的機會，使電子信息智能紡織品的開發有了更廣闊的空間。導電紗線的織入及縫入、包芯紗導電部分和不導電部分的設計、納米涂層整理技術以及傳感器和電池技術的探索，將會成為未來的研究方向。

作者:張杰劉曉霞單位:上海工程技術大學