Page 105 - 《精细化工》2022年第6期
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第 6 期                  张宁仪，等:  纳米银颗粒-聚氨酯导电纤维的制备及拉伸传感应用                                  ·1171·


                 研究表明，将柔性高分子基材与新兴导电填料                          1.2   方法
            相结合是制备柔性智能电子纤维器件的一种常见策                             1.2.1  TPU 纺丝液与 TPU 纤维的制备
            略 [6-10] 。其中，柔性高聚物聚氨酯（PU）是一种常                          将适量 TPU 加入 DMF 中，45  ℃下搅拌 5 h。
            见的柔性高分子材料，其完美结合了塑料材料的强                             超声处理 2 h 后磁力搅拌 30 min，得到均匀的质量
            度与橡胶材料的弹性          [11] 。而热塑性聚氨酯（TPUG）             分数分别为 10%、15%、20%、25%的 TPU 纺丝液。
            的分子链为线性结构，可通过注塑或挤出等热塑性                             将配制的 TPU 纺丝液分别吸入 5 mL 注射器中，以
            塑料的加工方法将 TPU 加工成各种制品                [12] ，也可作      16.00 mL/h 的速度从喷丝头（内径为 1.26 mm）喷
            为湿法纺丝制备柔性导电纤维的理想基材                  [13] 。文献采      入去离子水的凝固浴（室温）中并形成凝胶态 TPU
            用溶剂絮凝法与熔体电纺结合              [14] 、湿法纺丝   [15] 、热    纤维，30 min 后从凝固浴中取出，置于室温（20 ℃）
            固化成型     [16] 及预拉伸涂覆     [17] 等方式将石墨烯等碳            下通风处晾干，制得 TPU 纤维。
            材料引入柔性基材中，成功制得 TPU 柔性导电功能                          1.2.2  AgNPs-TPU 导电纤维的制备
            材料。与之相比，本文将湿法纺丝的方法与在基材表面                               配制质量浓度分别为 5、10、15、20、50、100
            原位生成纳米银颗粒的方法相结合，纳米银（AgNPs）                         g/L 三氟乙酸银溶液，将 TPU 纤维置于所配制三氟
            作为制备导电功能纤维的理想导电材料                   [18-19] ，银前    乙酸银溶液中，浸渍 30 min 后取出置于室温（20  ℃）
            驱体可在由湿纺制得的 TPU 柔性基材上经还原后原                          下通风处晾干，然后置于 5 g/L 的 L-抗坏血酸溶液
            位生长纳米银颗粒，使得纳米银颗粒可在基材上紧                             中于 90  ℃还原 2~10 h，制得 AgNPs-TPU 导电纤维。
            密排布，进而在达到将导电性能与可拉伸性能有机                             然后将 AgNPs-TPU 导电纤维取出转移到去离子水
            结合的同时，可拓展该材料在拉伸应变传感方面的                             中洗去残余的 L-抗坏血酸，最后置于室温（20  ℃）
            应用。                                                下通风处晾至恒重，重复以上操作 4 次，得到
                 基于以上分析，将高导电性的纳米银材料与可                          AgNPs-TPU 导电纤维。
            拉伸的 TPU 基材进行复合，以解决柔性可穿戴电子                          1.3   结构表征与性能测试
            器件拉伸性与导电性无法兼顾的问题。TPU 纤维通                               力学性能测试：采用微机控制电子万能试验机
            过湿法纺丝的方式制备得到。然后，通过浸渍三氟                             测试得到纤维应力-应变曲线。
            乙酸银溶液并还原的方式制备 AgNPs-TPU 导电纤                            导电性测试：采用数字万用表将接触测量笔放
            维，并探究浸渍三氟乙酸银浓度、还原时间和浸渍                             在纤维样品两端读取并记录纤维样品在一段时间内
            还原次数对其导电性的影响，以及在不同拉伸应变                             电阻值，并取其平均值。下文中若无特别说明则纤
            状态下的传感性能，拓展其在应变传感与人体监测                             维电阻值均为纤维在 1 cm 长度下所测定的电阻值。
            领域的应用潜力        [16-17] 。此外，纳米银颗粒自身颜色               用公式（1）计算 AgNPs-TPU 导电纤维电导率：
            接近于白色，也使得该材料在彩色或变色柔性智能                                                  L /(R S  )        （1）
            可穿戴领域的应用上具有独特优势。                                   式中：δ 为电导率，S/m；L 为测试的导电纤维长度，
                                                                                                           2
                                                               m；R 为测试的电阻，Ω；S 为纤维的截面面积，m 。
            1   实验部分
                                                                   SEM 测试：采用扫描电子显微镜对样品进行表
            1.1   试剂与仪器                                        征，加速电压为 5 kV，发射电流为 10 µA。
                 热塑性聚氨酯(TPUG)，工业级，巴斯夫聚氨酯                           拉伸应变传感测试：采用电化学工作站测试在
            （中国）有限公司；N，N-二甲基甲酰胺(DMF，分                          拉伸应变下样品电阻变化情况，电流-时间曲线（I-t
            析纯)、三氟乙酸银（化学纯）、L-抗坏血酸（分析                           曲线）模式，电压 0.5 V。用电动拉伸/压缩试验台
            纯），国药集团化学试剂有限公司；实验用水均为自                            对样品进行拉伸，拉伸速率 20 mm/min，最低拉伸
                                                               极限 0 mm，最高拉伸极限依据所加持的样品原长进
            制去离子水。
                                                               行设定。应变不灵敏系数测试：AgNPs-TPU 导电纤
                 Finnpipette F3 型微量移液器，赛默飞世尔科技
                                                               维的应变不灵敏系数用公式（2）计算。
            （中国）有限公司；Su1510 型扫描电子显微镜，日
                                                                                               )
            本 Hitachi Limited 公司；LFY-109A 型多功能纱线耐                            Q  ( l  / ) / (l 0    R  / R    （2）
                                                                                              0
            磨性能测试仪，北京恒奥德仪器仪表有限公司；                              式中：Q 为应变不灵敏系数；R 0 为导电纤维初始状
            Ivium Compactstate 型电化学工作站，荷兰 Ivium                态的电阻，Ω；l 0 为导电纤维初始状态的长度，cm；
            公司；CTM2500 型微机控制电子万能试验机，协强                         ΔR 为导电纤维拉伸后电阻的变化值，Ω；Δl 为导电
            仪器制造（上海）有限公司；8846A 型数字万用表，                         纤维拉伸后长度的变化值，cm。
            美国 Fluke 公司；ESM303 型电动拉伸/压缩试验台，                        耐磨性测试：使用多功能纱线耐磨性能测试仪
            美国 MARK-10 公司。                                     对 AgNPs-TPU 导电纤维的耐磨性能进行测试。耐磨
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