纳米氧化锡锑导电涂层棉织物的制备与性能_郭敏.pdf

第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology纳米氧化锡锑导电涂层棉织物的制备与性能郭敏1 王学帅1 吴迪1 黄媛2 郭增革1 姜兆辉1（1.山东理工大学，山东淄博，255000；2.东华大学，上海，201620）摘要：研究纳米氧化锡锑导电涂层棉织物的制备方法及性能。利用层层组装技术在棉织物表面交替组装纳米氧化锡锑和聚合物，构筑导电涂层。测试了不同导电涂层棉织物的微观形貌、质量、厚度、透气量、导电性、稳定性和阻燃性。结果表明：随着组装层数的增加，织物质量、厚度及导电性提高，透气性降低；组装 3层的织物表面电阻为 54.7 k/cm，比 2层的电阻降低了 1个数量级；氧化锡锑/聚乙烯亚胺阻燃剂改善了棉织物的阻燃性能。认为：制备的氧化锡锑导电涂层棉织物性能优良，可应用于智能可穿戴纺织品中。关键词：氧化锡锑；聚乙烯亚胺；层层组装；导电涂层棉织物；阴离子水性聚氨酯；电阻；阻燃性；透气性能中图分类号：TS101.3 文献标志码：B 文章编号：1000-7415（2023）06-0035-07Preparation and property of nano antimony tin oxide conductive coated cotton fabricGUO Min1 WANG Xueshuai1 WU Di1 HUANG Yuan2 GUO Zengge1 JIANG Zhaohui1（1.Shandong University of Technology，Zibo，255000，China；2.Donghua University，Shanghai，201620，China）Abstract Preparation method and property of nano antimony tin oxide conductive coated cotton fabric were studied.Nano antimony tin oxide and polymer were alternately assembled on cotton fabric surface by layer-by-layer assembly.Conductive coating layer was built.Microstructure，mass，thickness，air permeability，electrical conductivity，stability and fire resistance of different conductive coated cotton fabrics were tested.Results showed that fabric mass，thickness and conductivity were increased with the increased number of assembly layers.But the air permeability was decreased.Surface electrical resistance of the fabric assembled for 3 layers was 54.7 k/cm，which is an order of magnitude lower than that for 2 layers.Fire resistance of the cotton fabrics were improved with fire retardant of antimony tin oxide/PEI.It is considered that the prepared antimony tin oxide conductive coated fabric with excellent properties is feasible for intelligent wearable textiles.Key Words antimony tin oxide，PEI，layer-by-layer assembly，conductive coated cotton fabric，polyanionic WPU，electrical resistance，fire resistance，air permeability随着智能化和可穿戴电子设备的兴起，导电织物在智能可穿戴纺织品领域展现出了广阔的发展前景。导电织物既具有导电材料的导电性能，又具有织物本身的柔韧性，在电磁屏蔽、静电防护、电热转换、电致变色、超级电容器等方面具有巨大应用潜力13。导电材料是导电织物的核心，按照材料类型主要分为金属基、碳基、聚合物基及半导体基等。目前导电织物的制备方法包括导电纤维与普通纤维混纺或交织，导电纤维或纱线在普通织物表面刺绣或缝纫，普通纤维或织物表面涂层或镀膜等45。相较于传统纺织方法，在柔性织物上构建导电涂层具有显著优势，可以最大限度保持织物原有结构和使用性能67。氧化锡锑（ATO）是一种性能优异的掺杂型导电氧化物，纳米 ATO 粒径小、比表面积大，并且导电性好、成本低，在稳定性、耐磨性、安全性等方面具有优势，广泛应用于太阳能电池、液晶显示、透明电极、防静电等领域810。ATO 常用形式研究探讨基 金 项 目：山 东 省 自 然 科 学 基 金 青 年 项 目（ZR2020QE095，ZR2022QE211）；山 东 省 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目（S202210433061）；山 东 理 工 大 学 博 士 科 研 启 动 经 费（4033/721025）作者简介：郭敏（1992），女，讲师；郭增革，通信作者，副教授，收稿日期：2023-02-17】【35第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology多为粉体或浆料，无法直接与织物结合制备导电织物，因此以 ATO 作为导电填料与强度高、附着力好的水性聚氨酯（WPU）等聚合物复合，涂覆于织物等基材表面制备导电涂层1113。该方法通常需要使用大量 ATO 颗粒才能形成导电通路，导电材料加入过量不仅导致生产成本高，而且会降低涂层的连续性和柔韧性，造成织物厚重硬挺，舒适感变差。因此，寻求合理的涂层方法、优化涂层结构是获得导电性能优异、轻质柔韧导电涂层织物的关键。本研究利用浸渍层层组装技术在棉织物上构筑纳米 ATO/聚合物复合涂层，分析了阴离子WPU 的引入对组装过程及涂层织物性能的影响；通过改变组装层数，测试了涂层棉织物的微观结构、质量、厚度、透气性、稳定性及导电性能，为其在多功能可穿戴纺织品中应用提供技术支撑。1 试验部分1.1试验材料试验材料均为外购，包括平纹棉织物（单位面积质量 146 g/m2）、纳米 ATO 粉末（99.9%）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS，95%）、氢氧化钠（96%）、聚乙烯亚胺（PEI，重均分子量 70 000，50%水溶液）和阴离子 WPU 固含量（352）%。1.2涂层棉织物的制备棉织物的预处理。将棉织物裁剪成 6 cm6 cm 的试样，在涂层整理前进行清洗，去除棉纤维表面的杂质和胶质。首先，将棉织物浸渍于NaOH（质 量 浓 度 50 g/L）和 SDBS（质 量 浓 度5 g/L）混合溶液中，放置在热台上 60 加热碱煮1 h；然后，将织物取出并用去离子水冲洗，充分洗净织物表面残留溶液；最后，将清洗好的棉织物在60 烘箱中烘干待用。棉织物表面涂层的层层组装。将预处理后的棉织物在质量浓度 2.5 mg/mL 的 PEI 溶液中浸渍 20 min，带正电荷的 PEI 与棉纤维所带羟基通过静电相互作用吸附到织物表面；随后将 PEI 涂层织物浸入 ATO 质量浓度 10 mg/mL、WPU 质量分数 5%的 ATOWPU 混合溶液中，并放置于 恒 温 振 荡 器 中 以 90 r/min 转 速 摇 晃 浸 渍20 min，保证组装过程中织物表面涂层均匀。经过 上 述 1 个 组 装 循 环 制 得 的 涂 层 织 物 记 为ATOWPU/PEI1。通过增加组装循环次数可以得到具有不同组装层数的涂层棉织物，记为ATOWPU/PEIN，N 为组装循环次数，即涂层织物的组装层数。本试验中，组装层数分别为 1、2、3。此外，仅用纯 ATO 溶液与 PEI 溶液交替组装得到的涂层织物为对照样品，记为 ATO/PEIN。1.3测试与表征采用 Apreo S Hivac 型扫描电子显微镜观察纯棉织物、ATOWPU/PEI及 ATO/PEI涂层织物的表面微观形貌，加速电压 20 kV。将涂层整理前后的棉织物完全烘干并放置于相同环境冷却，利用电子天平分别称量纯棉织物和不同层数涂层织物的质量，计算织物单位面积质量增量 W 和增重率。其中，W=（mN-m0）/A，=（mN-m0）/m0100%。式中：m0为纯棉织物的初始质量，单位 mg；mN为组装 N 层后涂层织物的质量，单位 mg；A 为所用棉织物样品的测试面积，单位 cm2。使用 YG141L型数字式织物厚度仪分别测试涂 层 整 理 前 后 棉 织 物 的 厚 度，选 用 压 脚 面 积100 mm2，压重砝码 200 cN，压重时间 30 s，以降低纱线表面毛羽及织物不平整引起的测试误差。利用 YG461 型数字式透气量仪分别测试涂层整理前后棉织物的透气性，测试面积 20 cm2，压力差 200 Pa。利用 VICTOR 86E 型数字万用表测试涂层棉 织 物 的 表 面 电 阻，两 个 测 试 探 头 间 距 保 持1 cm，棉织物表面每组装一层，选取 10 个不同位置进行测试，结果取平均值；采用试验室自制电路对比分析织物的导电性能。利用超声洗涤法测试涂层棉织物的稳定性。将 6 cm6 cm 涂层织物浸渍于含有 200 mL 蒸馏水 的 烧 杯 中，并 放 置 于 超 声 波 清 洗 机 中 处 理60 min，超声功率 120 W，超声频率 40 kHz，处理完毕后将织物取出烘干，用电子天平和数字万用表 分 别 测 试 超 声 洗 涤 前 后 涂 层 织 物 的 质 量 和电阻。在温度 25、相对湿度 60%的试验环境中，将涂层整理前后的棉织物裁剪成 20 mm5 mm的试验样品，用镊子夹持住样品一端，将另一端放置于酒精灯内焰部分进行点燃，点燃时间 1 s；随后移开火焰，实时观察并拍摄记录各个样品的燃烧情况，以此评判织物的阻燃性能。】【36第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology2 结果与讨论2.1形貌分析利用扫描电镜观察涂层整理前后棉织物的微观形貌变化，结果如图 1所示。可以看出，纯棉织物为平纹结构，棉纤维呈天然转曲形态且表面光洁。经 ATOWPU/PEI3 涂层处理后，棉织物仍然保留了原有平纹结构及孔隙，试验选用的纳米 ATO 颗粒平均粒径约 20 nm，由 SnO2和 Sb2O3掺杂而成；从局部放大图可看出，纳米 ATO 颗粒/聚合物主要沉积在棉纤维表面形成致密涂层，部分填充到相邻纤维之间的孔隙中；这是由于层层组装过程中静电相互作用和毛细共同作用14。仅由纯 ATO 和 PEI组装得到的 ATO/PEI3涂层织物虽具有原始棉织物的平纹结构，但纤维表面及纤维之间涂层沉积量较少，且纳米 ATO 颗粒之间排列不紧密，涂层不连续。在 层 层 组 装 过 程 中，将 ATO/PEI 和ATOWPU/PEI涂层织物分别浸入 PEI溶液组装第 3 个循环的试验如图 2 所示。当两种织物分别浸渍 20 min 后，观察到 ATO/PEI3 由于部分纳 米 ATO 颗 粒 脱 落 导 致 溶 液 变 得 浑 浊，而ATOWPU/PEI3 则较为澄清；随后将两种织物放置于 100 烘箱中 20 min 烘干，观察到前者比后者外观颜色浅，即未引入 WPU 的涂层沉积量较低，说明在层层组装过程