CN110468588A - 一种聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法 - Google Patents

一种聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法，涉及针织物应变传感器技术领域，通过化学氧化聚合法在纱线表面原位聚合苯胺的方法，该方法是将纱线浸泡在苯胺(AN)溶液中，并缓慢滴加过硫酸铵(APS)溶液，之后经过蒸馏水洗涤，烘干得到的聚苯胺涂层纱线，然后再用涂层方法在纱线表面增加苯乙烯‑丁二烯‑苯乙烯(SBS)涂层，最后将纱线织造成针织物，通过该方法赋予纱线导电性能的同时，又获得了针织物的形变能力、恢复能力以及透气性等服装上使用的特点。更不会造成由于正面线圈将覆盖半个反面线圈，在涂层时聚苯胺渗透不到覆盖部分，导致罗纹组织电阻大的现象，还能避免以前制备针织物应变传感器的成本高、制作复杂、僵硬的缺点。

Description

一种聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及针织物应变传感器技术领域，特别涉及一种聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法。
背景技术
从古至今纺织品与人类的生活息息相关，随着科技的发展，纺织品已经不再局限于保暖、遮羞、装饰的目的，目前正朝向功能化、智能化发展。随着新型纺织材料的发展，智能纺织品传感器越来越多的出现在人们视野中，并且随着计算机技术的发展智能纺织品传感器朝向小型化、可穿戴化发展。旧时的人体健康监控设备由于体积大、价格昂贵、不可穿戴，正在逐渐被淘汰。
针织物服装具有良好的形变能力和形变恢复能力，利用针织物制成的应变传感器可以通过感知人体皮肤的变化，引起针织物应变传感器的应变，使针织物应变传感器电阻的变化，通过网络实时的将人体的生理特征输送到计算机中。所以针织物应变传感器可以实时的检测人体生理特征的变化，特别是对病人的生理特征具有良好的监控能力，此外针织物传感器还具有柔软、成本低、透气性好的特点，所以以应变传感器为代表的智能纺织品近年来逐渐受到人们的关注。
近几年不断有人对针织物传感器进行研究，其制备方法主要是利用金属导电纤维织成织物。然而利用金属导电纤维织物手感差，质量大、僵硬从而影响舒适性。
专利CN105624824B将聚苯胺研磨后添加到切片中，熔融挤出制备导电纤维。由于聚苯胺难熔难溶，该方法只能通过物理研磨形成小颗粒再与切片进行良好混合，但是物理研磨不仅破坏了聚苯胺的大分子结构，而且对于聚合物切片来说加入聚苯胺颗粒，会降低聚合物的结晶度，影响其取向度，不利于纤维强力的提高。市面出售的聚苯胺颗粒较大，使用时研磨时间长，而且没有织造成织物，仅仅研究了纤维。
实用新型专利CN204757997U应用三层结构制备应变传感器，中间是聚苯胺导电织物，上下为绝缘织物，但是并没有保护聚苯胺的涂层，在拉伸时聚苯胺涂层针织物的涂层会产生微小破坏，使聚苯胺导电网络遭到破坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法，以解决现有技术中导致的利用金属导电纤维织物手感差，质量大、僵硬从而影响舒适性以及利用研磨的聚苯胺颗粒加入纤维中，使聚苯胺导电网络遭到破坏，影响导电性等上述多项缺陷。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：一种聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将纱线用无水乙醇浸泡洗涤3次，去除织物表面的油污杂质；
步骤二，用蒸馏水洗涤2-3次，然后在烘箱中烘干备用，烘箱的温度控制在80℃-90℃；
步骤三，将纱线放入0.2-2mol/L的苯胺溶液中，苯胺溶液的pH值为3，然后缓慢滴加0.2-2mol/L的过硫酸铵溶液，并不断用玻璃棒搅拌,1h后将纱线取出；
步骤四，用蒸馏水洗涤2-3次，在烘箱中烘干,烘箱的温度控制在80℃-90℃，得到聚苯胺涂层纱线；
步骤五，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶解于四氢呋喃溶液中，制取质量分数为1％-5％的SBS溶液，然后将聚苯胺涂层纱线放入SBS溶液中，10分钟后取出，然后在烘箱中烘干,烘箱温度控制在50-70℃；
步骤六，利用针织横机将上述纱线织造成纵横密度为30-50，长度为10cm，宽度为10cm的针织物。
优选的，所述纱线采用细度为110-130dtex的棉纱线。
优选的，所述步骤二中，用蒸馏水洗涤2次，然后在烘箱中烘干备用，烘箱的温度控制在80℃。
优选的，所述步骤三中，将纱线放入1.0mol/L的苯胺溶液中，苯胺溶液pH值用盐酸调节为3。
优选的，所述步骤三中，过硫酸铵溶液的浓度为1.0mol/L。
优选的，所述步骤五中，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶解于四氢呋喃溶液中，制取质量分数为3％的SBS溶液，然后将聚苯胺涂层纱线放入SBS溶液中，10分钟后取出，然后在烘箱中烘干,烘箱温度控制在60℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)通过化学氧化聚合法在纱线表面原位聚合苯胺的方法，该方法是将纱线浸泡在苯胺(AN)溶液中，并缓慢滴加过硫酸铵(APS)溶液，之后经过蒸馏水洗涤，烘干得到的聚苯胺涂层纱线，利用涂层方法将导电物质涂在纱线表面，不仅避免了金属导电纤维织物易腐蚀、刚硬的缺点，而且保持了织物本身具有柔软、成本低的优点，整个制备工艺简单。
(2)将聚苯胺涂层纱线放入苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)溶液中，用涂层方法在纱线表面增加SBS涂层，这样不仅可以保护聚苯胺导电网络，还可以保护聚苯胺涂层免受日常使用中的磨损，从而得到高导电率、灵敏度高、抗磨损的应变传感器。
(3)将纱线织造成针织物，利用聚苯胺涂层，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯涂层(SBS涂层)以及针织物的三者特性，综合协同作用，通过该方法赋予纱线导电性能，而且获得了针织物的形变能力、恢复能力以及透气性等服装上使用的特点，不会造成由于正面线圈将覆盖半个反面线圈，在涂层时聚苯胺渗透不到覆盖部分，导致罗纹组织电阻大的现象，还能避免以前制备针织物应变传感器的成本高、制作复杂、僵硬的缺点。
附图说明
图1是纱线涂层及织造的示意图。
图2是本发明中实施例1聚苯胺涂层纱线的电镜照片。
图3是本发明中实施例1中纬平针织物1的拉伸回复电阻变化。
图4是本发明中实施例2中纬平针织物2的拉伸回复电阻变化。
图5是本发明中实施例2中纬平针织物2及实施例3中纬平针织物3的织物拉伸时的电阻变化。
图6是本发明中实施例2中纬平针织物2及实施例5中纬平针织物5-1，纬平针织物5-2的织物拉伸时的电阻变化。
图7是本发明中实施例2中纬平针织物2及实施例6中罗纹织物1、罗纹织物2、罗纹织物3的织物拉伸时的电阻变化。
具体实施方式
下面结合附图1-7详细说明本发明的优选实施方式。
实施例1：
选用130dtex棉纱线，按照如下步骤实施：
步骤一，将纱线用无水乙醇浸泡洗涤3次，去除织物表面的油污杂质；
步骤二，用蒸馏水洗涤2次，然后在烘箱中烘干备用，烘箱的温度控制在80℃；
步骤三，将纱线放入0.5mol/L的苯胺(AN)溶液中，苯胺(AN)溶液pH值用盐酸调节为3，然后缓慢滴加0.5mol/L的过硫酸铵(APS)溶液，并不断用玻璃棒搅拌,1h后将纱线取出；
步骤四，用蒸馏水洗涤2次，在烘箱中烘干,烘箱的温度控制在80℃，得到聚苯胺涂层纱线，涂层后纱线的表面电镜照片如图2所示；
步骤五，利用针织横机将上述纱线织造成纵密30、横密40，长10cm，宽10cm的纬平针织物1。
在织物两端用导线连接，连接处涂导电银胶，使用万用表测得其拉伸(10％)-回复时的电阻值，得到图3。
实施例2
选用130dtex棉纱线，按照如下步骤实施：
步骤一，将纱线用无水乙醇浸泡洗涤3次，去除织物表面的油污杂质；
步骤二，用蒸馏水洗涤2次，然后在烘箱中烘干备用，烘箱的温度控制在80℃；
步骤三，将纱线放入0.5mol/L的苯胺(AN)溶液中，苯胺(AN)溶液pH值用盐酸调节为3，然后缓慢滴加0.5mol/L的过硫酸铵(APS)溶液，并不断用玻璃棒搅拌,1h后将纱线取出；
步骤四，用蒸馏水洗涤2次，在烘箱中烘干,烘箱的温度控制在80℃，得到聚苯胺涂层纱线；
步骤五，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)溶解于四氢呋喃溶液中，制取质量分数为3％的SBS溶液，然后将聚苯胺涂层纱线放入SBS溶液中，10分钟后取出，然后在烘箱中烘干,烘箱温度控制在60℃；
步骤六，利用针织横机将上述纱线织造成纵密30、横密40，长10cm，宽10cm的纬平针织物2。
在织物两端用导线连接，连接处涂导电银胶，使用万用表测得其拉伸(10％)-回复时的电阻值，得到图4。
实施例2与实施例1的不同之处在于，经过了步骤五，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)溶解于四氢呋喃溶液中，制取质量分数为3％的SBS溶液，然后将聚苯胺涂层纱线放入SBS溶液中，10分钟后取出，然后在烘箱中烘干,烘箱温度控制在60℃，使得聚苯胺涂层纱线获得SBS涂层。
结合图3和图4可以看出：
未将聚苯胺涂层纱线放入SBS溶液中，未获得SBS涂层的纱线在拉伸回复后电阻会增大，应变与电阻没有体现出良好的稳定性。
从图4中可以看出，经过步骤五，将聚苯胺涂层纱线放入SBS溶液中，获得SBS涂层后，纬平针织物2的电阻在拉伸回复时基本不变，体现出了应变与电阻良好的稳定性。
实施例3
实施例3与实施例2中选用的纱线相同，选用130dtex棉纱线，但是实施例3中采用了不同的溶液浓度，具体实施方法步骤如下：
步骤一，将纱线用无水乙醇浸泡洗涤3次，去除织物表面的油污杂质；
步骤二，用蒸馏水洗涤2次，然后在烘箱中烘干备用，烘箱的温度控制在80℃；
步骤三，将纱线放入1.0mol/L的苯胺(AN)溶液中，苯胺(AN)溶液pH值用盐酸调节为3，然后缓慢滴加1.0/L的过硫酸铵(APS)溶液，并不断用玻璃棒搅拌,1h后将纱线取出；
步骤四，用蒸馏水洗涤2次，在烘箱中烘干,烘箱的温度控制在80℃，得到聚苯胺涂层纱线；
步骤五，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)溶解于四氢呋喃溶液中，制取质量分数为3％的SBS溶液，然后将聚苯胺涂层纱线放入SBS溶液中，10分钟后取出，然后在烘箱中烘干,烘箱温度控制在60℃；
步骤六，利用针织横机将上述纱线织造成纵密30、横密40，长10cm，宽10cm的纬平针织物3。
如图5，测量实验后的纬平针织物2、纬平针织物3，在不同拉伸率时的电阻。
从图5中可以看出，相同拉伸率时，纬平针织物3的电阻比纬平针织物2的电阻小；在拉伸率为10％时，实施例3制得的涂层织物电阻为17.4KΩ；实施例2制得的涂层针织物电阻为20.4KΩ。
因此，证明随着溶液浓度增加，聚苯胺涂层变密，进而增加纱线上的导电通路，使针织物电阻降低。
实施例4
实施例4选用110dtex棉纱线，其他参数与实施例2相同，该实施例按照如下步骤实施：
步骤一，将纱线用无水乙醇浸泡洗涤3次，去除织物表面的油污杂质；
步骤二，用蒸馏水洗涤2次，然后在烘箱中烘干备用，烘箱的温度控制在80℃；
步骤三，将纱线放入0.5mol/L的苯胺(AN)溶液中，苯胺(AN)溶液pH值用盐酸调节为3，然后缓慢滴加0.5mol/L的过硫酸铵(APS)溶液，并不断用玻璃棒搅拌,1h后将纱线取出；
步骤四，用蒸馏水洗涤2次，在烘箱中烘干,烘箱的温度控制在80℃，得到聚苯胺涂层纱线；
步骤五，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)溶解于四氢呋喃溶液中，制取质量分数为3％的SBS溶液，然后将聚苯胺涂层纱线放入SBS溶液中，10分钟后取出，然后在烘箱中烘干,烘箱温度控制在60℃；
步骤六，利用针织横机将上述纱线织造成纵密30、横密40，长10cm，宽10cm的纬平针织物4。
测量实验后的针织物在拉伸率为10％时的电阻：
其中，实施例4中的纬平针织物的电阻为21.8kΩ、实施例2中的纬平针织物的电阻为20.4kΩ。
实验证明，纱线越细里面含有的纤维根数越少，聚苯胺附着量更少，SBS涂层后其导电路径比纱线粗的更少，所以导致纱线越细电阻越大。
为了进一步研究其传感性能，利用公式计算了在10％应变下的灵敏度K，其灵敏度K为6.87。
ΔR：织物应变后的电阻与初始电阻的差；R：初始电阻数值；
ΔL：织物长度变化值；L：织物原长。
实施例5
实施例5选用130dtex棉纱线，织造针织物的纵密不同，其他参数与实例2相同，具体实施步骤如下。
步骤一，将纱线用无水乙醇浸泡洗涤3次，去除织物表面的油污杂质；
步骤二，用蒸馏水洗涤2次，然后在烘箱中烘干备用，烘箱的温度控制在80℃；
步骤三，将纱线放入0.5mol/L的苯胺(AN)溶液中，苯胺(AN)溶液pH值用盐酸调节为3，然后缓慢滴加0.5mol/L的过硫酸铵(APS)溶液，并不断用玻璃棒搅拌,1h后将纱线取出；
步骤四，用蒸馏水洗涤2次，在烘箱中烘干,烘箱的温度控制在80℃，得到聚苯胺涂层纱线；
步骤五，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)溶解于四氢呋喃溶液中，制取质量分数为3％的SBS溶液，然后将聚苯胺涂层纱线放入SBS溶液中，10分钟后取出，然后在烘箱中烘干,烘箱温度控制在60℃；
步骤六，利用针织横机将上述纱线织造成横密40、纵密分别为40、50，长10cm，宽10cm的纬平针织物5-1，纬平针织物5-2。
如图6所示：测量实验后的纬平针织物2、纬平针织物5-1，纬平针织物5-2，在不同拉伸率时的电阻。
比较纬平针织物2、纬平针织物5-1，纬平针织物5-2的电阻，在相同拉伸时，发现随着纵密的增大，电阻逐渐减小。说明纵密增大，纵行方向单位长度内具有的线圈个数增多，SBS涂层后有更多的载流子在织物中传导，有利于导电性能的提高使电阻减小。
实施例6
实施例6选用110dtex棉纱线进行实施，织造织物时为1*1罗纹组织，其他参数与实施例2相同。
步骤一，将纱线用无水乙醇浸泡洗涤3次，去除织物表面的油污杂质；
步骤二，用蒸馏水洗涤2次，然后在烘箱中烘干备用，烘箱的温度控制在80℃；
步骤三，将纱线放入0.5mol/L的苯胺(AN)溶液中，苯胺(AN)溶液pH值用盐酸调节为3，然后缓慢滴加0.5mol/L的过硫酸铵(APS)溶液，并不断用玻璃棒搅拌,1h后将纱线取出；
步骤四，用蒸馏水洗涤2次，在烘箱中烘干,烘箱的温度控制在80℃，得到聚苯胺涂层纱线；
步骤五，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)溶解于四氢呋喃溶液中，制取质量分数为1％的SBS溶液，然后将聚苯胺涂层纱线放入SBS溶液中，10分钟后取出，然后在烘箱中烘干,烘箱温度控制在60℃；
步骤六，利用针织横机将纱线织造成横密30、40、50，纵密分别为30、40、50的1*1罗纹织物,，分别是罗纹织物1、罗纹织物2、罗纹织物3。
如图7所示：测的实验后的纬平针织物2、罗纹织物1、罗纹织物2、罗纹织物3在不同拉伸率时的电阻。
与实施例2相比，在相同拉伸率时，实施例6织造的罗纹织物电阻比实施例2小。例如在拉伸率为10％时，罗纹织物1、罗纹织物2、罗纹织物3的电阻分别是18.6KΩ、15.3KΩ、10.7KΩ，而实施例2织造的纬平针针织物的电阻为20.4KΩ，进而证明了，不会造成由于正面线圈将覆盖半个反面线圈，在涂层时聚苯胺渗透不到覆盖部分，导致罗纹组织电阻大的现象。
为了进一步研究罗纹织物的传感性能，利用公式计算了在10％应变下罗纹织物1、罗纹织物2、罗纹织物3的灵敏度K，其灵敏度K分别为6.87、6.95、7.52，灵敏度好。
ΔR：织物应变后的电阻与初始电阻的差；R：初始电阻数值；
ΔL：织物长度变化值；L：织物原长。
由以上实施例可知，本发明提供的是一种通过化学氧化聚合法在纱线表面原位聚合苯胺的方法，该方法是将纱线浸泡在苯胺(AN)溶液中，并缓慢滴加过硫酸铵(APS)溶液，之后经过蒸馏水洗涤，烘干得到的聚苯胺涂层纱线，然后再用涂层方法在纱线表面增加苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)涂层，最后将纱线织造成针织物。
通过该方法赋予纱线导电性能的同时，又获得了针织物的形变能力、恢复能力以及透气性等服装上使用的特点。更不会造成由于正面线圈将覆盖半个反面线圈，在涂层时聚苯胺渗透不到覆盖部分，导致罗纹组织电阻大的现象。还能避免以前制备针织物应变传感器的成本高、制作复杂、僵硬的缺点。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，将纱线用无水乙醇浸泡洗涤3次，去除织物表面的油污杂质；
步骤二，用蒸馏水洗涤2-3次，然后在烘箱中烘干备用，烘箱的温度控制在80℃-90℃；
步骤三，将纱线放入0.2-2mol/L的苯胺溶液中，苯胺溶液的pH值为3，然后缓慢滴加0.2-2mol/L的过硫酸铵溶液，并不断用玻璃棒搅拌,1h后将纱线取出；
步骤四，用蒸馏水洗涤2-3次，在烘箱中烘干,烘箱的温度控制在80℃-90℃，得到聚苯胺涂层纱线；
步骤五，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶解于四氢呋喃溶液中，制取质量分数为1％-5％的SBS溶液，然后将聚苯胺涂层纱线放入SBS溶液中，10分钟后取出，然后在烘箱中烘干,烘箱温度控制在50-70℃；
步骤六，利用针织横机将上述纱线织造成纵横密度为30-50，长度为10cm，宽度为10cm的针织物。
2.根据权利要求1所述的聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法，其特征在于：所述纱线采用细度为110-130dtex的棉纱线。
3.根据权利要求1所述的聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，用蒸馏水洗涤2次，然后在烘箱中烘干备用，烘箱的温度控制在80℃。
4.根据权利要求1所述的聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，将纱线放入1.0mol/L的苯胺溶液中，苯胺溶液pH值用盐酸调节为3。
5.根据权利要求4所述的聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，过硫酸铵溶液的浓度为1.0mol/L。
6.根据权利要求1所述的聚苯胺涂层针织物应变传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯溶解于四氢呋喃溶液中，制取质量分数为3％的SBS溶液，然后将聚苯胺涂层纱线放入SBS溶液中，10分钟后取出，然后在烘箱中烘干,烘箱温度控制在60℃。
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