智能纺织品电子信息论文

1电子信息智能纺织品导电材料的种类

依据导电体不同对复合型导电高分子材料的分类见图1。图1依据导电体不同对复合型导电高分子材料的分类用于制备电子信息智能纺织品的导电高分子材料称为导电聚合物，其具有明显的聚合物特征，且若在两端加上一定电压，有明显的电流通过。依据材料的组成，可以将导电高分子材料分为复合型和本征型两大类［3］。前者是指将导电体加入到基体中构成的复合材料，后者是指基体本身具有导电功能的复合材料。本文主要讨论前者，按其导电体的不同，将导电材料分为4种:金属氧化物导电体，碳系导电体，结构型导电高分子，金属系导电体。1．1金属氧化物导电体在聚合物中添加金属氧化物可制备导电复合材料。一般采用的导电体是氧化钒、氧化钛、氧化锌、氧化锡等粉末物质，目前最广泛使用的是氧化锌晶须(ZnOw)。1．2碳系导电体碳系导电体包括炭黑、石墨、碳纤维和碳纳米管。炭黑是一种天然的半导体材料，能够大幅度调整复合材料的电阻率(1～108Ω•cm)，如采用高温气相氧化和石墨化对炭黑进行处理，可以提高炭黑的比表面积和一定量炭黑吸收邻苯二甲酸二丁酯的体积值，降低表面基团特别是含氧基团的含量，改善复合材料的导电性［3］。石墨是自然界发现的最硬的材料，具有很好的导电性和导热性能，利用石墨制备的复合材料，如尼龙/石墨、聚苯胺/石墨复合材料均具备良好的导电能力。碳纤维的导电性能介于炭黑和石墨之间，其体积电阻率约为1200×10－6～300×10－6Ω•cm。在复合材料中，碳纤维可使其形成的导电渗滤通道的临界体积分数很低，达到很高的导电性能所需的填充量很小［4］。碳纳米管是一种新型的导电体，在纳米纤维含量为0．5%～10%、碳纳米管质量分数为0．1%～0．5%时，复合材料具有很高的导电性能。1．3结构型导电高分子使用较多的是聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等导电物质，这些高聚物不需要加入其他导电性物质而依靠本身结构即具有导电性。1．4金属系导电体金属系导电体包括纯金属粉末和金属纤维。现阶段应用最广的金属粉末是铁粉和铜粉。一般情况下，金属粉末的体积分数达到50%，会使导电复合材料的电阻率达到要求。将金属纤维填充到聚合物基体中，可制成导电性能优异的导电复合材料，其体积电阻率1．0×10－3～106Ω•cm。目前应用较多的金属纤维有铜纤维、不锈钢纤维和铁纤维等［5］。

2电子信息智能纺织品导电材料的制备

近年来，研究人员在电子信息智能纺织品导电材料的制备方面做了大量研究，笔者通过分析归纳将不同导电材料的制备方法分为4类，如图2所示。2．1混入法2．1．1编织法将导电纱线整合在织物结构中LiuY．［6］等人设计出一种应用在智能纺织品上的柔性可伸缩的磷酸铁锂电池，将LiFePO4作为阴极，Li4Ti5O12作为阳极，固体聚氧化乙烯电解质作为分离层铺在阴极和阳极之间，然后将这3层放置在液体聚合物溶液中，在50℃下使溶液蒸发，最后3层合并在一起成为一个电池条。由于该种材料具有热塑性，故此条状电池可以被切断或者拉伸，并混入织物中。据报道，单个的电池条只能提供约0．3V的电压，若将8个聚合物电池条与棉布材料编织在一起(见图3)，用铜和铝作为导电线把它们串联起来，可以支持1个3V的发光二极管(LED)持续发光数小时(见图4)。图3电池条织入棉织物形成的导电线程图48个聚合物电池条供1个3伏LED灯发光KinkeldeiT．［7］等人提出一种纺织品一体化的电子鼻系统织物(见图5)，将4种非导电聚合物分别在四种相应的溶剂中溶解，同时加入炭黑作为导电的填料，利用超声波震荡使颗粒分散均匀，从而制成4种不同聚合物复合材料的气体传感器。当气体传感器吸收有机溶剂后膨胀，聚合物内部的炭黑填料颗粒之间的距离会增加，使传感器的电阻发生变化。据报道，若使用柔性聚合物基板作为气体传感器的载体，将柔性聚合物基板形成的薄膜条(见图6)作为衬纬织入织物，在经向织入导电丝与柔性薄膜条接触，检测接触点的电阻变化，可以识别不同的溶剂蒸汽并对其进行分类。图5被织入织物的电子鼻系统图6基于柔性聚合物基材制成的薄膜条ZyssetC．［8］等人选用柔性塑料基板作为电子元件的载体，将它们切成条状编织进纺织品。通过织入导线，在导线、条状柔性塑料基板以及接触点之间形成相互连接而成的总线拓扑型的编织网络(见图7)。据报道，导线和柔性塑料基板之间的接触点可承受20N的剪切应力，若将温度传感器集成到条状塑料基板上，织物的抗弯刚度将提高30%。图7带有导条和导线的机织物照片2．1．2改变纱线结构设置导电层和不导电层Gu，J．F．［9］等人开发出一种高灵活度的、基于导电聚合物而制备的具有高电容性能的纤维。通过在两个低密度聚乙烯的绝缘片之间添加一种导电聚合物，从而创建一个简单的卷状电容器，然后把它们卷成一个圆柱体，放进高密度聚乙烯。通过加热，经小孔喷出纺丝，形成一个直径小于1mm的纤维。据报道，该电容纤维(见图8)容纳电荷的能力相当于同轴电缆的1000倍。图8中心具有两个电极的圆柱形电容器纤维GuoL．［10］等人设计了一种基于针织物的传感器，将不锈钢纤维作为导电纱线的外包纱线，将聚酰胺/莱卡的混合纱线作为芯纱，制作具有导电性能的包芯纱，然后制成针织物并测量其导电性能。据报道，以聚酰胺/莱卡混合纱线作为芯纱制成的针织物，其导电性能相对于以聚酰胺单一纤维作为芯纱制成的针织物有所提高。BaeJ．［11］等人提出一种用于操作电容式触摸屏面板的导电织物，将镀银的尼龙丝作为芯丝，将50/50棉/羊毛混纺纱作为外包纤维，利用传统的环锭细纱机制造导电纱线(见图9)。据报道，使用该种导电纱线可以织成具有导电性能的纬编针织物，采用该种纬编针织物制作的手套。可用于在极端寒冷的气候下操作电容式触控面板的屏幕。图9导电的环锭纺包芯纱的横截面2．2化学镀法张碧田［12］等人选用尼龙织物作为待镀织物，经表面粗化、胶体钯溶液活化及解胶处理后，进行化学镀镍。据报道，镀层中磷含量较低，有利于改善镀镍织物的导电性能，提高其电磁屏蔽的效果。甘雪萍［13］等人将涤纶作为基布在一定浓度的NaOH溶液中浸泡去油，然后在含有强氧化性的酸性KMnO4溶液中进行粗化处理，经SnCl2和HCl的敏化处理以及PdCl2和HCl的活化处理后，再进行化学镀铜和化学镀镍。据报道，织物的表面比电阻随着镀铜量的增加而显著减小，镍磷合金镀层质量的增加只能使织物表面电阻略有下降，见图10。纤维表面随着铜的不断沉积而变得光滑，但是镀铜时间达到15min时，纤维表面开始出现一些圆形的瘤子，并且经过化学镀镍处理后不能被镍层覆盖。图10织物化学镀铜、镍后的SEM照片2．3聚合法2．3．1气相沉积聚合法杨楠［14］设计出一套制备聚吡咯导电织物的方案，以纬平针织物作为基布，经过NaOH溶液的去油处理后，将试样经过一定浓度的对甲苯磺酸水溶液进行掺杂剂掺杂处理，再将试样经过一定浓度的FeCl3•6H2O乙醇溶液进行氧化剂掺杂处理，最后让吡咯蒸汽缓慢均匀地沉积在处理过的织物试样上，得到聚吡咯导电织物。2．3．2现场吸附聚合法狄剑锋［15］等人选定以锦纶/氨纶长丝共同编织的经编针织物作为基质，制备聚苯胺/锦纶/氨纶复合导电织物。首先将锦纶/氨纶织物试样浸入苯胺单体溶液进行单体吸附处理，然后将处理后的织物置于氧化剂过硫酸铵和盐酸反应液中，制得墨绿色的聚苯胺复合导电织物，再用盐酸、丙酮、去离子水分别洗涤至溶液为无色，烘干后即得到聚苯胺/锦纶/氨纶复合导电织物。2．3．3液相化学吸附聚合法胡沛然［16］等人以棉织物为模板，通过简单的“浸渍－干燥”过程，制备得到规则的氧化铟锡导电网络，再将其与聚二甲基硅氧烷树脂复合，得到复合柔性导电材料。据报道，氧化铟锡导电网络/聚二甲基硅氧烷柔性导电复合材料弯曲后的电阻率从20Ω•cm增长到80Ω•cm，仅增加了3倍，在弯曲同样的角度后，氧化铟锡纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷柔性导电复合材料的电阻率从20Ω•cm快速上升到超过1000Ω•cm，增长了近50倍，导电性能下降非常明显，因此得出，氧化铟锡导电网络的使用能够在弯曲状态下有效地保持材料稳定的电学性能。2．3．4电化学聚合法Kim［17］等人采用电化学聚合法对锦纶/氨纶混纺织物进行聚合，在不同的聚合条件、伸长率和重复拉伸次数下测量织物的导电性能。据报道，织物伸长率在40%时，其导电灵敏度达到最大，如果再增加则伸长率变化不明显。导电织物的导电率会随着拉力的增加而稍微下降。2．4纳米涂层整理LimZ．H．［18］等人提出一种氧化锌纳米棒导电纺织品，让氧化锌纳米棒在普通的棉织物纤维上均匀生长，最后得到高结晶度的纳米棒导电织物。经过机械性能测试可知，纳米棒织物有较强的抗压和耐水洗性能，在室温下，该导电织物可用于气体和光学传感器，用来检测氢气和紫外线。ZhangW．［19］等人用单壁碳纳米管制备导电纱线，使用聚乙烯亚胺对棉纱进行预处理，用以提高碳纳米管的亲和力，然后将基于碳纳米管制备得到的导电纱线作为化学电阻，通过检测其电阻变化，可以在室温下检测氨气的浓度，制成氨气传感器，见图11。

3结语

微电子和纳米技术的快速发展为电子信息智能纺织品领域带来了更多的机会，使电子信息智能纺织品的开发有了更广阔的空间。导电纱线的织入及缝入、包芯纱导电部分和不导电部分的设计、纳米涂层整理技术以及传感器和电池技术的探索，将会成为未来的研究方向。

作者:张杰刘晓霞单位:上海工程技术大学