PEDOT:PSS/PVA导电纤维的制备及性能研究

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聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)作为一种新型导电高聚物,具有电导率高,稳定性好,可进行溶液加工等优异特性。以PEDOT:PSS水分散液为原料,通过湿法纺丝的方法可以制备PEDOT:PSS导电纤维。单一组分的PEDOT:PSS导电纤维电导率可以达到接近金属的电导率,但是,单一组分的PEDOT:PSS导电纤维可纺性差,纺丝难度大,成本高,制备出的纤维脆性大、韧性差,无法满足后续织造应用的需求。因此,开发一种基于PEDOT:PSS的复合导电纤维,克服单一组分PEDOT:PSS导电纤维的上述缺陷,对于智能纤维在无论是基础研究还是工业应用领域的发展都是至关重要的。聚乙烯醇(PVA)是一种水溶性的高聚物,具有优异的成膜性和粘接性,可降解,兼具良好的亲肤性和生物相容性。本文选取PVA作为成纤基材,与PEDOT:PSS共混,通过湿法纺丝的方法制备出PEDOT:PSS/PVA复合导电纤维。随后,通过调整湿法纺丝工艺条件优化了PEDOT:PSS/PVA复合导电纤维的结构,提高了纤维的力学性能。最后,采用真空紫外光(UV)照射,乙二醇(EG)蒸汽处理,和二甲基亚砜(DMSO)添加掺杂三种不同的处理方法对PEDOT:PSS/PVA复合导电纤维进行掺杂改性,提高了纤维的导电性能,拓宽了PEDOT:PSS/PVA复合导电纤维在可穿戴智能纺织品领域的应用前景。本文首先探究了PEDOT:PSS/PVA复合导电纤维制备过程中PEDOT:PSS含量对纤维结构和性能的影响。随着纤维中PEDOT:PSS含量的增加,纤维电导率呈指数式增加。由于PEDOT:PSS的引入增加了纤维分子链的刚性,因此纤维的断裂强度增加,断裂伸长率下降。随着纤维中PEDOT:PSS含量的增加,纤维的截面形貌从不规则的多棱形转变为规则的圆形,这是由于PEDOT:PSS含量的增加降低了纺丝液中溶剂与凝固浴中非溶剂间的传质速率差异。制备的PEDOT:PSS/PVA复合导电纤维的电导率达到11.25S·cm-1,拉伸断裂强度达到124.15 MPa,断裂伸长率为24.1%。通过调整湿法纺丝过程中的凝固浴组分,牵伸倍率,水洗次数,和热定型温度几项工艺条件,优化了纤维结构,并提高了纤维的力学性能。凝固浴组分的变化平衡了纺丝液中溶剂和凝固浴中非溶剂的双向扩散速度,使纤维成形过程更加缓慢,纤维形貌更规则。牵伸使纤维大分子沿纤维轴向排列取向,增加微原纤排列的规整度,减少纤维内部的孔洞和微孔隙等结构缺陷。水洗去除了纤维中残留凝固剂和杂质的含量,使纤维组分纯度更高,减轻了由于杂质残留导致的纤维性能恶化的现象。热定型使纤维结构致密化。当工艺条件为:凝固浴中甲醇/异丙醇体积比为1/1,牵伸倍率5倍,水洗2次,热定型温度150℃时,纤维力学性能有较大提升,拉伸断裂强度达到230.04 MPa,断裂伸长率为30.67%。同时,纤维电导率达到14.07 S·cm-1,纤维的形貌规则,结构均匀致密。在真空环境中采用紫外光对PEDOT:PSS/PVA复合导电纤维进行照射处理,紫外光照射使纤维中的PSS分子链发生断裂重组交联,其上附着的导电PEDOT颗粒依附于此形成多条导电通路,从而提高了纤维的电导率。在紫外光的照射下,纤维中75%的单极化子配对转化为离域程度更高的双极化子,增加了载流子的迁移率,从而提高了纤维的导电性能。紫外照射时间为10 h时,纤维的电导率达到52.34 S·cm-1。由于紫外光照射使部分PVA分子链发生断裂,因此纤维的断裂强度有所下降。紫外照射时间为10 h时,纤维的拉伸断裂强度为191.93 MPa,断裂伸长率为21.95%。采用乙二醇(EG)蒸汽处理的方法对纤维进行掺杂改性,EG蒸汽处理引起纤维中PEDOT与PSS间的相分离,部分PSS分子链富集到纤维的表面,减少了导电的PEDOT颗粒间PSS绝缘层的厚度,降低了载流子沿高聚物主链跃迁的势垒,易于毗邻的PEDOT颗粒间隧穿电流的形成,从而增强了纤维的电导率。随着EG蒸汽处理时间的增加,纤维表面逐渐变光滑。EG蒸汽处理时间为30 min时,纤维的杨氏模量和拉伸断裂强度分别为17.63 GPa和198.37 MPa,断裂伸长率为22.81%。采用二甲基亚砜(DMSO)添加的方法对纤维进行掺杂改性,DMSO掺杂使纤维中PEDOT的分子链构象由苯式结构转变为易于载流子传输的醌式结构,降低了载流子迁移的势垒,增强了纤维的导电性能。随着DMSO掺杂含量的增加,纤维表面逐渐变粗糙,纤维的拉伸断裂强度增加,断裂伸长率下降。DMSO掺杂含量为8 wt%时,纤维电导率达到51.7 S·cm-1,纤维的杨氏模量和拉伸断裂强度分别为19.85 GPa和275.43 MPa,拉伸断裂伸长率为16.95%。
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