PEDOT：PSS在导电织物中的应用.pdf

近年来，由于电子元件在纺织品基体中的集成，高导电性纺织品纤维已经成为智能纤维和织物领域的新热点。与塑料和纸张相比，纺织品具有更高的柔韧性和耐磨性，可以用于应变传感器、心电图测量、运动捕捉设备等多个领域。传统导电金属织物通过在织物中添加金属纳米颗粒和金属纤维使材料具有高导电性和高强度，同时也有低柔性、高成本的缺点。导电聚合物主链由相互交替的单键和双键组成，可以通过掺杂使其电导率提高几个数量级。1PEDOT：PSS导电聚合物简介PEDOT：PSS是一种聚合物，由带正电的导电共轭基团 PEDOT 连接带负电的绝缘分子链 PSS。其在可见光范围内具有优异的光学透过率、在一定范围内可调节的电导率、良好的机械柔性等优点，被广泛应用于电子和智能纺织品。2PEDOT：PSS导电聚合物的修饰方法修饰PEDOT：PSS可以从提高电导率和提高机械柔性两个方面进行。向PEDOT：PSS膜中添加多元极性有机聚合物、共溶剂系统、酸、多元醇或者高沸点溶剂等，可以增强其导电性。其机制在于增加了绝缘 PSS 和导电PEDOT 之 间 的 相 分 离。Savagatrup 等1在 聚 合 物PEDOT：PSS水溶液中添加DMSO和Zonyl，从而获得具有良好导电性的可拉伸PEDOT：PSS电极薄膜，并应用在太阳能电池和机械传感器中来检测人体运动。掺杂处理和弹性共混可以提高PEDOT：PSS的机PEDOT:PSS在导电织物中的应用摘要：综述了导电聚合物聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）制备的导电织物、制备技术及其应用，同时介绍PEDOT：PSS导电织物的修饰、制备方法和耐久性研究进展。PEDOT：PSS具有较高的导电性、水分散性、环境稳定性等优点，在智能纺织品制造中价值巨大。关键词：PEDOT：PSS；聚合物；导电织物中图分类号:TS102文献标志码:A文章编号:1005-9350（2023）08-0016-03Abstract:The conductive fabrics,preparation techniques,and applications of conductive polymer poly(PEDOT:PSS)were reviewed,and the modification,preparation methods,and durability research progress of PEDOT:PSS conductivefabrics were introduced.PEDOT:PSS has advantages such as high conductivity,water dispersibility,and environmental stability,making it of great value in intelligent textile manufacturing.Key words:PEDOT:PSS;polymer;conductive fabricsApplication of PEDOT:PSS in conductive fabrics收稿日期：2022-11-25作者简介：王杨程（1994），男，江苏泰兴人，硕士在读，研究方向为柔性电子。王杨程（南京邮电大学有机电子与信息显示国家重点实验室，江苏南京210023）WANG Yangcheng(State Key Laboratory for Organic Electronics and Information Displays,Nanjing University ofPosts&Telecommunications,Nanjing 210023,China)染整技术Textile Dyeing and Finishing JournalVol.45 No.8Aug.2023第45卷第8期2023年8月8期械柔性。为了制备透明可拉伸聚合物薄膜，PEDOT和PSS链需要发生有序分离，以将其分散到更大的自由体积，使膜作为整体能够承受更大的机械应力；同时，需要使其纤维化，增强PEDOT：PSS链与链间的作用力。制作薄膜通常使用的掺杂材料有增塑剂、软聚合物材料、离子液体等，其中离子液体发挥二次掺杂剂和增塑剂的作用，可以提高薄膜的导电性和伸长率。另外，可以在导电性差的弹性体中加入导电材料制备出复合材料。Ding等2利用 PEDOT：PSS水溶液浸渍 PU 纤维非织造布的方式制备 PEDOT：PSSPU非织造布，并采用静电纺丝法制备大块PU纤维非织造布，最后采用简单浸涂法涂覆 PEDOT：PSS。所得PEDOT：PSSPU非织造布具有超过 200%的可拉伸性、可调节的导电性和良好的耐洗性。3PEDOT：PSS导电织物的制备方法3.1浸渍法浸渍法是将织物浸泡到导电材料溶液中，使其嵌入织物的纤维中而获得导电织物的一种方法。Ding等3 将氨纶织物浸泡在含有D-山梨醇的PEDOT：PSS水溶液中，风干后制备了电导率为0.1 S/cm的导电氨纶织物。研究发现，重复浸泡后，电导率线性增加。Yeon等4使用PEDOT：PSS和离子剂十二烷基硫酸钠（SDS）通过混合法和浸渍法对聚氨酯织物和棉织物进行处理。将固定量SDS添加到PEDOT：PSS溶液中，并使用聚（1,1,2,2-四氟乙烯）过滤器将其应用于织物，然后将织物用 PEDOT：PSS溶液浸渍并浸入 SDS溶液中。Ahmed等5通过浸涂干燥法，使用还原氧化石墨烯和PEDOT：PSS的混合物制备了导电棉布。通过系统浸涂和干燥方法制造的导电棉布表现出突出的形态协同作用和结构优势，在高达 60%应变的良好稳定加热下提供了有效的抗变形耐力。Ghosh等 6 以PEDOT：PSS和聚乙二醇（PEG400）为原料，采用简单的浸渍干燥工艺生产导电棉织物。PEG 既可作为增黏剂，又可作为相分离剂的促进剂，减小了PEDOT：PSS颗粒之间的距离，从而形成三维网络。Tadesse等7利用PEDOT：PSS处理一种常见的聚酰胺（PU）/莱卡针织物，用于可拉伸的电子纺织品。PEDOT：PSS以二甲基亚砜为导电增强剂，水性聚氨酯分散体为黏合剂，通过简单的浸渍和涂布应用于织物。PU用于提高导电织物的耐久性、弹性和柔软性。3.2涂布法涂布法是指将导电聚合物溶液直接涂覆在织物表面的方式，包括滴涂法、旋涂法、喷涂法等。Otley等8使用 DMSO 作为 PEDOT：PSS 的二次掺杂剂，结合滴涂法，制造了导电PET非织造布。Tadesse等9报道了使用PEDOT：PSS和二次掺杂剂DMSO通过喷雾干燥方法制备导电PET织物。涂层数量从2层增加到8层，导电织物的薄层电阻从76/sq下降至12/sq。Shin等10使用PEDOT：PSS和DMSO制备了用于纺织品信号传输线的高导电性尼龙6 nm纤维网。与一次涂覆的样品相比，用 PEDOT：PSS涂覆 4次的纳米纤维网薄层电阻明显降低。此外，与未经DMSO处理的样品相比，经添加和浸渍DMSO的样品薄层电阻显著降低。Moraes 等11用 5 层甘油掺杂的 PEDOT：PSS 涂层和等离子体处理后，导电聚酰胺尼龙织物的电阻率降到0.14 cm。等离子体处理后PEDOT：PSS导电性的提高是由于纤维表面化学和形态性质的变化，甘油使 PEDOT：PSS晶粒能够沿延伸方向重新定向，从而使该导电织物易于承受拉伸变形。3.3印刷法印刷法是使用喷墨印刷或丝网印刷技术在柔性基板（例如聚合物膜和纺织品）上图案化有机导体PEDOT：PSS 以 制 造 柔 性 电 子 器 件 的 一 种 方 法。Tseghai等12使用丝网印刷技术，采用PEDOT：PSS和聚（二甲基硅氧烷-b-环氧乙烷）（PDMS-b-PEO）的复合材料来制备导电和可拉伸的棉织物。复合材料可以增强断裂拉伸强度，并降低样品的刚性。导电聚合物复合材料的存在带来了纱线毛圈间隙的光滑性和较好的覆盖性。Guo等13使用海绵模板、注射印刷技术和PEDOT：PSS聚合物材料，用导电无纺PET制造了 5 mm宽的电线，这种电线具有 2.7/sq的最低薄层电阻。织物线的薄层电阻取决于丝网的数量，织物线材的薄层电阻取决于丝网印刷PEDOT：PSS层的数量。4PEDOT：PSS导电纤维的制备方法PEDOT：PSS导电纤维的主要制备方法包括湿法纺丝和静电纺丝。Zhang等14通过高压气流辅助静电纺丝成功制备了PVA/PEDOT：PSS复合超细纤维，制造了直径68 nm的超细导电纳米纤维，并将这种纤维应用于氨传感器。Okuzaki 等15制备了导电 PEDOT：PSS微纤维，并将其浸入乙二醇中。其电导率取决于浸渍处理的持续时间，3 min后达到467 S/cm的最大值。Seyedin等16通过湿法纺丝制备了具有高导电性、优异机械性能和较低导体含量的聚合物纤维复合材王杨程：PEDOT:PSS在导电织物中的应用17染整技术45卷料，该复合聚合物包括PEDOT：PSS和PU。5PEDOT：PSS织物的耐久性Rubeziene 等17研究了 PEDOT：PSS 涂层织物的电磁性能和耐久性，经等离子体处理后，耐久性提高。Tadesse等18通过使用不同等级的水性聚氨酯提高了PEDOT：PSS织物的耐久性。经聚氨酯处理的样品在10次循环洗涤后，洗涤稳定性有所提高，原因在于聚氨酯将PEDOT：PSS牢固地结合到纤维上。Islam等19用聚多巴胺处理棉花，然后用掺杂有乙二醇的PEDOT：PSS 涂 覆 棉 花。聚 多 巴 胺 增 加 了 棉 花 与PEDOT：PSS之间的粘附使棉花更耐洗。6结论PEDOT：PSS与纺织品的结合方法包括浸渍、涂布和印刷。这些方法适用于氨纶编织纤维、棉花和无纺聚氨酯等织物。对于纤维，可使用化学气相沉积和等离子体处理技术处理表面形成导电聚合物层，也可原位聚合共轭聚合物体系。随着人们对柔性电子相关技术研究的深入，导电织物的稳定性、柔韧性会得到提升，必将在应变传感器、电极、OLED等领域发挥重要作用。参考文献：1SAVAGATRUP S,CHAN E,RENTERIA-GARCIA S M,et al.Plasticization of PEDOT:PSS by common additives for mech-anically robust organic solar cells and wearable sensorsJ.Advanced Functional Materials,2015,25(3):427-436.2DING Y,XU W,WANG W,et al.Scalable and facilepreparation of highly stretchable electrospun PEDOT:PSSPU fibrous nonwovens toward wearable conductive textileapplicationsJ.ACS Applied Materials&Interfaces,2017,9(35):30014-30023.3DING Y,INVERNALE M A,SOTZING G A.Conductivitytrends of PEDOT-PSS impregnated fabric and the effect ofconductivity on electrochromic textileJ.ACS Applied Mat-erials&Interfaces,2010,2(6):1588-1593.4YEON C,KIM G,LIM J W,et al.Highly conductive PEDOT:PSS treated by sodium dodecyl sulfate for stretchable fabricheatersJ.RSC Advances,2017,7(10):5888-5897.5AHMED A,JALIL M A,HOSSAIN M M,et al.A PEDOT:PSSand graphene-clad smart textile-based wearable electronicJoule heater with high thermal stabilityJ.Journal of Mate-rials Chemistry C,2020,8(45):16204-16215.6GHOSH S,GANGULY S,REMANAN S,et al.Fabrication andinvestigationof3DtunedPEG/PEDOT:PSStreatedconductiveand durable cotton fabric for superior electrical conductivityand flexible electromagnetic interference shieldingJ.Com-posites Science and Technology,2019,181:107682.7TADESSE M G,MENGISTIE D A,LOGHIN C,et al.Electromechanical properties of polyamide/lycra fabrictreated with PEDOT:PSSJ.IOP Conference Series:MaterialsScience and Engineering,2017,254(7):072025.8OTLEY M T,ALAMER F A,GUO Y,et al.Phase segregationof PEDOT:PSS on textile to produce materials of 10 A mm-2current carrying capacityJ.Macromolecular Materials andEngineering,2017,302(3):1600348.9TADESSE M G,LOGHIN C M,WANG Lichuan,et al.Effectof liquid immersion of PEDOT:PSS-coated polyester fabricon surface resistance and wettabilityJ.Smart Materials andStructures,2017,26(6):065016.10SHIN S,LEE E,CHO G.Nylon 6 nanofiber web-based signaltransmission line treated with PEDOT:PSS and DMSO trea-tmentJ.Materials(Basel),2021,14(3):498.11MORAES M R,ALVES A C,TOPTAN F,et al.Glycerol/PEDOT:PSS coated woven fabric as a flexible heating ele-ment on textilesJ.Journal of Materials Chemistry C,2017,5(15):3807-3822.12TSEGHAI G B,MALENGIER B,FANTE K A,et al.Development of a flex and stretchy conductive cotton fabricvia flat screen printing of PEDOT:PSS/PDMS conductivepolymer compositeJ.Sensors(Basel),2020,20(6):1742.13GUO Y,OTLEY M T,LI M,et al.PEDOT:PSS“Wires”printedon textile for wearable electronics J.ACS Applied Materi-als&Interfaces,2016,8(40):26998-27005.14ZHANG Q,WANG X,FU J,et al.Electrospinning of ultrafineconducting polymer composite nanofibers with diameterless than 70 nm as high sensitive gas sensorJ.Materials(Basel),2018,11(9):1744.15OKUZAKI H,ISHIHARA M.Spinning and characterizationof conducting microfibersJ.Macromolecular Rapid Communications,2003,24(3):261-264.16SEYEDIN M Z,RAZAL J M,INNIS P C,et al.Strain-responsive polyurethane/PEDOT:PSS elastomeric compositefibers with high electrical conductivityJ.Advanced Functional Materials,2014,24(20):2957-2966.17RUBEZIENE V,BALTUSNIKAITE-GUZAITIENE J,ABRAITIENE A,et al.Development and investigation of PEDOT:PSS composition coated fabrics intended for microwaveshieldingandabsorptionJ.Polymers(Basel),2021,13(8):1191.18TADESSE M G,MENGISTIE D A,CHEN Y,et al.Electricallyconductive highly elastic polyamide/lycra fabric treatedwith PEDOT:PSS and polyurethaneJ.Journal of MaterialsScience,2019,54(13):9591-9602.19ISLAM G M N,ALI M A,COLLIE S.Polydopamine treatedand PEDOT:PSS coated wash durable conductive textilesfor wearable applicationsJ.Fibers and Polymers,2022,23(4):914-924.18