聚苯胺包缠纱应变传感器的制备及性能.pdf

印染（2024 No.3）聚苯胺包缠纱应变传感器的制备及性能张彩云1，付国康1，郭长春2，刘宇航1，韩华1，李伟1，张凯31.山东理工大学 鲁泰纺织服装学院，山东 淄博 255000；2.通标标准技术服务(青岛)有限公司，山东 青岛 266001；3.鲁泰纺织股份有限公司，山东 淄博 255100摘要：以苯胺为单体、盐酸为酸性介质、过硫酸铵为氧化剂、锦纶和涤纶为基体材料，采用氧化聚合法制备了涤纶/聚苯胺（PANI）和锦纶/PANI复合导电纱线。再以锦纶和涤纶导电纱线为包缠纱，氨纶为芯纱，制备了预拉伸单包缠和预拉伸双包缠纱应变传感器。结果表明：预拉伸锦纶单包缠纱应变传感器有良好的传感性能，其电阻变化率高达520%，且在多次拉伸形变后电阻仍能回复到初始状态，是一种制作应变传感器的理想材料。关键词：聚苯胺；导电纱线；包缠纱；柔性应变传感器中图分类号：TS182；TP212文献标志码：BDOI：10.3969/j.yinran.202403019Preparation and performance of polyaniline wrapped yarn strain sensorZHANG Caiyun1,FU Guokang1,GUO Changchun2,LIU Yuhang1,HAN Hua1,LI Wei1,ZHANG Kai3 1.Lutai School of Textile and Apparel,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China;2.SGS-CSTC StandardsTechnical Services(Qingdao)Co.,Ltd.,Qingdao 266001,China;3.Lu Thai Textile Co.,Ltd.,Zibo 255100,ChinaAbstract:Polyester/polyaniline(PANI)and nylon/PANI composite conductive yarns are prepared by oxidative polymerization method using aniline as a monomer,hydrochloric acid as an acidic medium,ammonium persulfateas an oxidant,and nylon and polyester as matrix materials.Using polyester/PANI and nylon/PANI compositeconductive yarns as wrapping yarns and spandex as core yarns,strain sensors with pre-drawing single-wrapping and pre-drawing double-wrapping yarns are prepared.The results show that the strain sensor with pre-drawing single-wrapped nylon yarns has good sensing performance with a resistance change rate of up to520%,and the resistance can still return to its initial state after multiple tensile deformations,which is an idealmaterial for making strain sensors.Key words:polyaniline;conductive yarn;wrapped yarn;flexible strain sensor应变传感器具有轻薄、可延展、灵敏度高等特性1，在运动健康及监测2、人机交互3和可穿戴电子设备4等方面备受重视，是当前应用最为广泛的传感器之一。柔性可拉伸应变传感器由柔性导电材料和弹性材料复合而成，既保持了纺织品的柔韧性和可拉伸特性，又保持了应变传感器的高精度和高灵敏度，在智能纺织品中有广泛的应用前景5。目前，柔性应变传感的核心技术在于材料的选取与设计，包括碳纳米管6、金属纤维7、石墨烯8等纳米材料的选择，以及纤维、纱线、纳米纤维薄膜、泡沫、织物等的设计。本文以苯胺单体作为导电聚合物原料，采用氧化聚合法在涤纶、锦纶纱线上沉积聚苯胺，制备复合导电纱线，并将其作为包缠纱制备具有优异传感性能，且不受拉伸次数影响的应变传感器。1试验部分1.1材料、试剂与仪器材料氨纶（140 D，海宁凯威纺织有限公司），锦纶（150 D/2，敦煌线业有限公司），涤纶（150 D，沪江线业有限公司）试剂苯胺、盐酸、过硫酸铵（均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司）仪器电热恒温水浴锅（常州丹瑞实验仪器设备有限公司），烘箱（常州市第一纺织设备有限公司），电子天平（上海衡际科学仪器有限公司），SDM3055X-E型数字万用表（深圳市鼎阳科技股份有限公司），VICTOR 86E 型数字万用表（西安北成电子有限责任公司），Y331N+型纱线捻度仪、HD021N+型电子单纱强力仪（南通宏大实验仪器有限公司）1.2应变传感器的制备1.2.1涤纶/PANI和锦纶/PANI复合导电纱线的制备将涤纶和锦纶纱线清洗干净后，分别置于苯胺酸性溶液中（苯胺0.25 mol/L、盐酸1 mol/L、蒸馏水20 mL）一段时间以后，滴加过硫酸铵溶液（过硫酸铵0.03 g/mL、蒸馏水20 mL），在室温下聚合一定时间，得到聚苯胺复收稿日期：2023-12-19；修回日期：2024-02-28作者简介：张彩云（1985），女，讲师，主要从事光催化和导电织物的研究。E-mail：。通信作者：张凯（1986），男，正高级工程师，主要从事清洁化染整加工和纤维改性方向的研究。E-mail：。42聚苯胺包缠纱应变传感器的制备及性能印染（2024 No.3）合导电纱线。纱线清洗后，80 烘干，得到涤纶/PANI复合导电纱线和锦纶/PANI复合导电纱线。1.2.2预拉伸单包缠纱应变传感器的制备取氨纶10 cm，将其拉伸形变100%后固定在纱线捻度仪的两端，取聚苯胺复合导电纱线作为包缠纱，包缠方向为S捻，捻距为0.5 cm，制备预拉伸单包缠纱应变传感器。1.2.3预拉伸双包缠纱应变传感器的制备将预拉伸单包缠纱传感器作为基础纱，将其固定在纱线捻度仪的两端，取聚苯胺复合导电纱线将其再次包缠，方向为Z捻，捻距为0.25 cm，制备预拉伸双包缠纱应变传感器1.3性能测试与表征1.3.1红外光谱图采用Nicolet 5700型傅里叶变化红外光谱仪对苯胺聚合前后涤纶纱线的化学结构进行表征。1.3.2扫描电子显微镜采用Quanta 250型场发射环境扫描电子显微镜对苯胺聚合前后锦纶和涤纶纱线的微观形貌进行表征。1.3.3电阻测试利用VICTOR 86E型数字万用表测试传感器静态拉伸电阻（将传感器拉伸一定形变并保持不变时记录的电阻）。用HD021N+型电子单纱强力仪夹持住柔性传感器，利用SDM3055X-E型数字万用表记录传感器实时电阻（随实时形变的动态变化电阻）变化曲线，柔性传感器在电笔之间距离为5 cm，以2 mm/s速率匀速拉伸，电阻变化采样频率为250 ms/次。1.3.4传感器灵敏度测试保持电子单纱强力仪拉伸往复速率在0.2 mm/s，依次记录应变传感器不同应变伸长时的电阻值。按照式（1）计算灵敏度GF9：GF=（R/R0）/（L/L0）（1）式中：R是电阻变化值，；R0是初始电阻，；L是传感器长度变化值，cm；L0是传感器初始长度，cm。2结果与讨论2.1导电纱线的性能2.1.1红外光谱分析聚苯胺聚合前后涤纶纱线的红外光谱如图1所示。图1中，3 233 cm-1处和2 966 cm-1处分别为NH和CH2的伸缩振动吸收峰，1 718 cm-1处为RCOOR中C=O的伸缩振动峰，1 577 cm-1处为N=（C6H4）=N的伸缩振动特征峰，1 505 cm-1处为苯环结构的特征峰，1 340 cm-1处、1 262 cm-1处和1 102 cm-1处分别对应CN、CO和COC的伸缩振动峰。以上分析说明聚苯胺经氧化聚合后，成功附着在涤纶纱线表面。66#FP图1聚苯胺聚合前后涤纶纱线的红外光谱图Fig.1Infrared spectra of polyester yarn before and after polyaniline polymerization2.1.2扫描电镜分析图2是锦纶/PANI复合纱线和涤纶/PANI复合纱线的扫描电镜图。DE（a）锦纶纱线（2 000倍）（b）锦纶/PANI复合导电纱线（10 000倍）GF（c）涤纶纱线（2 000倍）（d）涤纶/PANI复合导电纱线（10 000倍）图2锦纶/PANI和涤纶/PANI复合纱线的扫描电镜图Fig.2SEM images of nylon/PANI and polyester/PANI composite yarns从图2可知，聚苯胺沉积到了纱线表面，且锦纶纱线表面聚合的聚苯胺比较均匀，而涤纶纱线表面聚合的聚苯胺均匀性较差。2.2包缠纱应变传感器的性能单包缠纱应变传感器和双包缠纱应变传感器实时电阻曲线如图3所示。50?LV50?LV（a）预拉伸涤纶单包缠纱（b）预拉伸锦纶单包缠纱43印染（2024 No.3）50?LV50?LV（c）预拉伸涤纶双包缠纱（d）预拉伸锦纶双包缠纱图34种包缠纱传感器实时电阻曲线Fig.3Real-time resistance curves of four kinds of wrappedyarn sensors由图3可知：在100%的拉伸形变下，预拉伸涤纶单包缠纱应变传感器的电阻最大值为8.41 M，最小值为2.28 M；预拉伸锦纶单包缠纱应变传感器的电阻最大值为2.36 M，最小值为0.13 M。在50%的拉伸形变下，预拉伸涤纶双包缠纱应变传感器的电阻最大值为10.28 M，最小值为 2.01 M；预拉伸锦纶双包缠纱应变传感器的电阻最大值为 250.76 k，最小值为26.40 k。4种传感器在拉伸过程中，电阻值逐渐减小，在拉伸回复过程中，电阻值逐渐增大。双包缠纱应变传感器的电阻明显比单包缠纱应变传感器的低，这是由于双包缠纱的捻向分别为S捻和Z捻，两根包缠纱产生多个交叉点，当芯纱恢复到初始状态时，相邻复合导电纱线类似于电阻的并联，所以电阻较低。对4种应变传感器的电阻变化率随形变的变化关系进行了拟合，曲线斜率即为传感器的灵敏度，结果见图4。5555（a）预拉伸涤纶单包缠纱（b）预拉伸锦纶单包缠纱 55 55（c）预拉伸涤纶双包缠纱（d）预拉伸锦纶双包缠纱图44种包缠纱的灵敏度曲线Fig.4Sensitivity curves of four kinds of wrapped yarn sensors由图4可知，预拉伸涤纶单包缠纱应变传感器和预拉伸锦纶单包缠纱应变传感器的最大电阻变化率（R/R0）分别为68.27%和520.85%，预拉伸涤纶双包缠纱应变传感器和预拉伸锦纶双包缠纱应变传感器的最大电阻变化率分别为57.49%和29.29%，表明双包缠纱应变传感器并不能提高其传感性能。分析认为单包缠纱应变传感器在拉伸后，包缠纱接近于一根伸直的纱线，其电阻由包缠纱本身电阻决定。但双包缠纱应变传感器在拉伸后两根包缠纱之间交叉点依旧存在，其电阻值变化较小，因此电阻变化率较小。此外，单包缠纱应变传感器在拉伸回复过程中灵敏度先增大后减小，在回复过程中虽然产生了迟滞现象，但其电阻值仍能回复到初始电阻值。双包缠纱应变传感器在拉伸过程中灵敏度无明显变化，在回复过程中灵敏度先增加后减小。综合以上分析，涤纶包缠纱应变传感器相较于锦纶包缠纱应变传感器表面电阻较大，这可能是由于锦纶表面沉积的聚苯胺较均匀导致的。涤纶单包缠纱应变传感器电阻变化率远小于锦纶单包缠纱应变传感器电阻变化率，涤纶双包缠纱应变传感器电阻变化率大于锦纶双包缠纱应变传感器电阻变化率，但其电阻变化波动较大。3结论（1）采用氧化聚合法制备了涤纶/PANI复合导电纱线和锦纶/PANI复合导电纱线。将复合导电纱线作为包缠纱，氨纶为芯纱，采用包缠的方式制作了一种线状柔性应变传感器。通过红外吸收光谱和扫描电镜证明聚苯胺成功沉积到锦纶和涤纶纱线表面。（2）根据预拉伸涤纶单包缠纱、预拉伸锦纶单包缠纱、预拉伸涤纶双包缠纱和预拉伸锦纶双包缠纱的实时电阻测试和传感器灵敏度测试可知：预拉伸锦纶单包缠应变传感器具有优异的传感性能，灵敏度较高，电阻变化率高达520%，且多次拉伸回复后电阻仍能与初始状态保持一致，是制作应变传感器的一种理想的材料。参考文献：1KWAK Y H,KIM W,PARK K B,et al.Flexible heartbeat sensor forwearable deviceJ.Biosens Bioelectron,2017,94：250-255.2许慧，陈晨，周美玲，等.碳纳米管基柔性针织物应变传感器的制备及性能J.印染，2022，48（8）：1-5.3LIU Y F,LIU Q,LI Y Q.Spider-inspired ultrasensitive flexible vibration sensor 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