胡希麗,田明偉, 曲麗君

(青島大學(xué)紡織學(xué)院,山東青島 266071)

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聚噻吩/殼聚糖層層自組裝織物制備及性能研究

胡希麗,田明偉, 曲麗君

(青島大學(xué)紡織學(xué)院,山東青島 266071)

摘要：研究了以聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸和殼聚糖進(jìn)行靜電層層自組裝整理，得到具有防紫外、導(dǎo)電功能的棉織物。采用聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)和殼聚糖(CS)通過靜電層層自組裝技術(shù)對(duì)棉織物進(jìn)行表面改性，并研究其導(dǎo)電、防紫外線性能。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉紅外分析光譜(FTIR)及表面染色色深(K/S值)分析改性棉織物的表觀形態(tài)結(jié)構(gòu)；采用紫外線防護(hù)系數(shù)(UPF)評(píng)估防紫外線性能，采用兩探針法測(cè)量織物表面導(dǎo)電性能并得到相應(yīng)的IV曲線。研究表明：經(jīng)石墨烯改性后的棉織物展現(xiàn)出超強(qiáng)的紫外線防護(hù)性，其導(dǎo)電性能也有相應(yīng)的提高。組裝5次，改性織物的UPF值達(dá)到92.39，遠(yuǎn)高于未處理棉織物(UPF=9.37)。另外，僅組裝5次，改性棉織物的表面電阻率由未處理棉織物的7.19×107 Ω·m降到4.4×102 Ω·m。

關(guān)鍵詞：聚噻吩殼聚糖層層自組裝導(dǎo)電性能防紫外性能

聚3，4-乙烯二氧噻吩(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene),PEDOT)是一種聚噻吩類本征導(dǎo)電聚合物材料，經(jīng)聚對(duì)苯乙烯磺酸鈉鹽(PSS-Na)摻雜后獲得穩(wěn)定的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)懸浮液。PEDOT：PSS可以很好地分散在水溶液中，克服了PEDOT難熔難溶的缺點(diǎn)，由于其高導(dǎo)電性、良好的環(huán)境穩(wěn)定性和成膜性，在玻璃等基片上易成膜，且膜透光性好，光熱穩(wěn)定性好，在太陽能電池、防靜電涂層、有機(jī)發(fā)光二極管顯示器、有機(jī)薄膜晶體管等領(lǐng)域日漸受到重視[1]。

近年來，隨著本征導(dǎo)電聚合物研究熱潮的出現(xiàn)，PEDOT：PSS因其優(yōu)異的性能被廣泛用于各領(lǐng)域開發(fā)新材料的研究中。由于PEDOT：PSS顯著的電學(xué)性能，將PEDOT：PSS用于功能紡織品提高導(dǎo)電性能的研究也已見報(bào)道，如，Chiu[2]等將PEDOT：PSS與P(St-BA)導(dǎo)電復(fù)合物通過旋轉(zhuǎn)涂覆和浸泡涂覆的方法附著到PET無紡布上做成柔性導(dǎo)電復(fù)合膜，測(cè)得PEDOT：PSS含量為10wt.%時(shí)其電導(dǎo)率高達(dá)88S/cm。Odhiambo[3]等采用PEDOT：PSS作為電鍍導(dǎo)電聚合物對(duì)帶有導(dǎo)電紗線的聚酰胺基布進(jìn)行涂層整理得到了織物電池，與鍍銀織物電池相比，PEDOT：PSS涂層織物電池各方面性能更好。

層層靜電自組裝技術(shù)以離子間的靜電吸引為成膜驅(qū)動(dòng)力，通過功能大分子層的層層交替沉積，能形成具有多種功能的復(fù)合功能薄膜。與傳統(tǒng)方法相比，層層自組裝技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)建過程簡(jiǎn)便可控，操作簡(jiǎn)單；對(duì)基底物質(zhì)的限制很少，適用范圍廣；不需要昂貴的設(shè)備、大大降低了生產(chǎn)成本和難度[4]。以靜電作用力作為組裝驅(qū)動(dòng)力的自組裝技術(shù)，要求組裝大分子能在溶液中電離而帶電荷，聚對(duì)苯乙烯磺酸(PSS)是一種聚陰離子電解質(zhì)，其磺酸根水溶液中電離帶負(fù)電荷；殼聚糖是一種天然高分子聚正電解質(zhì)，其與許多天然聚合物通過層層靜電組裝制備組裝膜的研究也多見報(bào)道[5, 6]。而以PEDOT：PSS與殼聚糖通過靜電層層組裝改性織物的研究還未見報(bào)道，因此，本文采用PEDOT：PSS與殼聚糖在棉織物表面進(jìn)行層層靜電層層組裝，獲得改性功能織物并對(duì)其性能進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料：聚苯乙烯磺酸鈉鹽(PSS-Na，Mw=7×104,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；3，4-乙烯二氧噻吩(EDOT，上海薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司)；殼聚糖CS(Mw =100-200 kDa，脫乙酰度93%，青島即發(fā)集團(tuán))；過硫酸銨、硫酸鐵、醋酸、鹽酸、732鈉型陽離子交換樹脂(均為分析純，國(guó)藥控股化學(xué)試劑有限公司),棉織物(平紋機(jī)織布，平方米克重為160 g/m2)

1.2試驗(yàn)方法

PEDOT：PSS溶液的合成：在250mL圓底燒瓶中加入去離子水和聚苯乙烯磺酸鈉鹽，攪拌形成淺黃色透明溶液。邊攪拌邊滴加3，4-乙烯二氧噻吩單體，用鹽酸調(diào)節(jié)溶液的PH值使之保持在2.5左右。然后滴加適量的過硫酸銨和硫酸鐵混合溶液，溶液逐漸變?yōu)槟{(lán)色，反應(yīng)一段時(shí)間，直至得到深藍(lán)色的PEDOT:PSS-Na溶液。最后，用粒子交換樹脂對(duì)PEDOT:PSS-Na溶液進(jìn)行純化，超聲分散30min后得到PEDOT:PSS溶液[7]。

殼聚糖溶液的制備：將殼聚糖粉末溶解于體積分?jǐn)?shù)為2%的醋酸溶液中配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的殼聚糖溶液，備用。

棉織物的組裝整理：聚3，4-乙撐二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)和殼聚糖(CS)分子間的靜電自組裝原理圖如圖1所示，PEDOT：PSS分子與CS分子之間的靜電作用力作為成膜推動(dòng)力，使得PEDOT：PSS分子與CS分子之間能夠?qū)訉泳喗Y(jié)組裝。在對(duì)棉織物進(jìn)行組裝之前，先對(duì)棉織物進(jìn)行帶電預(yù)處理，使PEDOT：PSS/CS組裝膜能更好的附著到織物表面：將棉織物放到陽離子表面整理劑聚乙烯亞胺(30g/L)中浸泡1h(水浴75℃)，然后用去離子水對(duì)試樣進(jìn)行漂洗，室溫下晾干。PEDOT：PSS/CS在棉織物表面組裝過程如圖1所示：第一步，將預(yù)處理過的棉織物浸泡到1wt.%的PEDOT：PSS溶液中，浸泡15min，取出后在蒸餾水中浸泡漂洗3min，去除織物表面附著的沒有參加組裝的PEDOT：PSS分子，然后放到通風(fēng)廚中干燥晾干；第二步，將晾干后的棉織物浸泡到1wt.%的殼聚糖溶液中，浸泡15min，取出后在蒸餾水中浸泡漂洗3min(洗掉織物表面附著的沒有參加組裝反應(yīng)的多余CS分子)，然后通風(fēng)廚中晾干。以上過程為一個(gè)組裝循環(huán)，在棉織物表面形成一個(gè)PEDOT：PSS/CS雙分子層，實(shí)驗(yàn)中分別做了1、3、5次組裝循環(huán)，依次標(biāo)記為(PEDOT：PSS/CS)1, (PEDOT：PSS/CS)3，(PEDOT：PSS/CS)5。

圖1PEDOT:PSS和殼聚糖分子間靜電層層自組裝原理圖及靜電組裝過程示意圖

1.3表征和性能測(cè)試

1.3.1織物表觀結(jié)構(gòu)分析

采用JSM-840型掃描電子顯微鏡對(duì)改性棉織物進(jìn)行表觀結(jié)構(gòu)表征，調(diào)節(jié)電鏡加速電壓為5.0kV，放大倍數(shù)分別為100倍和2000倍。

采用Nicolet 5700型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)棉織物進(jìn)行紅外光譜測(cè)試分析。

1.3.2織物表面染色深度測(cè)試

采用染色深度(K/S值)變化來監(jiān)測(cè)聚噻吩PEDOT:PSS和殼聚糖分別在織物表面的組裝狀態(tài)。由于殼聚糖溶液為無色透明溶液而聚噻吩PEDOT:PSS溶液呈深藍(lán)色，其在織物表面組裝的同時(shí)相當(dāng)于染料能使織物上色，測(cè)試組裝織物表面的染色深度值可以定性的分析PEDOT:PSS和殼聚糖的組裝狀態(tài)，染色深度高(K/S值大)則織物表面為PEDOT:PSS分子層，染色深度低(K/S值小)則織物表面為殼聚糖分子層，通過對(duì)K/S值的監(jiān)測(cè)間接揭示兩者在纖維表面的層層交替沉降結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。在D65光源和10°視場(chǎng)下采用ColorEye 7000A型測(cè)色配色儀測(cè)量織物表面染色深度( K/S值)。

1.3.3防紫外線性能評(píng)價(jià)

織物的防紫外線性能采用紫外防護(hù)系數(shù)(UPF)評(píng)價(jià)，其紫外透射光譜( T(UVA)、T(UVB) )通過UV1000F型紫外分光光度計(jì)測(cè)量，紫外防護(hù)系數(shù)(UPF)根據(jù)澳大利亞/新西蘭標(biāo)準(zhǔn)(AC/NZS 439:1996)通過下面的公式計(jì)算[8]：

其中，λ為光波波長(zhǎng) (nm)；Eλ為相對(duì)紅斑效應(yīng)；Sλ為太陽紫外光譜輻射度；Tλ為頻率為λ光譜透射比；dλ為波長(zhǎng)增量。

1.3.4導(dǎo)電性能評(píng)價(jià)

采用Rigol DM3068數(shù)字萬用表分析儀根據(jù)AATCC 76-2005方法測(cè)試改性織物的表面導(dǎo)電性，測(cè)試電壓范圍為-10V ～ +10V，測(cè)試間隔電壓為0.5V。

2結(jié)果與討論

2.1改性棉織物的形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖2是棉織物的光學(xué)電鏡和掃描電鏡照片，其中a、b是未經(jīng)處理的棉織物樣品，c、d是經(jīng)PEDOT:PSS/CS組裝整理后的棉織物樣品。圖2a、c右上角的照片是織物的光學(xué)電鏡照片，從圖中可以看出，未處理棉織物表面光潔，透過光性良好，色調(diào)均勻，呈現(xiàn)本征乳白色；而經(jīng)PEDOT:PSS/CS組裝整理后的棉織物，光學(xué)照片中纖維呈現(xiàn)藍(lán)黑色，說明棉纖維表面被PEDOT:PSS/CS結(jié)構(gòu)覆蓋，掩蓋了原來的乳白色。從圖2b中看出，未處理棉織物其纖維表面光滑且?guī)в刑卣餍詶l紋、溝槽。圖2d是經(jīng)PEDOT:PSS/CS組裝整理后的棉織物樣品(PEDOT:PSS/CS)5，從掃描電鏡照片中明顯可以發(fā)現(xiàn)纖維表面覆蓋有一層膜結(jié)構(gòu)，掩蓋了纖維表面本來的條紋溝槽結(jié)構(gòu)。靜電層層自組裝是一種典型的自組裝成膜技術(shù)，PEDOT:PSS和CS的交替沉降在棉織物表面形成了一層組裝膜，組裝前對(duì)棉織物的帶電預(yù)處理使棉纖維與PEDOT:PSS/CS組裝膜之間更好的結(jié)合，因此，在掃描電鏡照片中可以發(fā)現(xiàn)棉纖維表面的PEDOT:PSS/CS膜結(jié)構(gòu)。

a,b:未處理棉織物;c,d:(PEDOT:PSS/CS)5改性棉織物

圖2掃描電鏡照片

2.2改性棉織物的紅外分析

改性棉織物表面的化學(xué)成分采用傅里葉紅外光譜進(jìn)行分析，如圖3所示。其中，未處理棉織物的紅外光譜圖中，3350cm-1處的峰非常明顯，是由于羥基的伸縮振動(dòng)引起的吸收峰。在殼聚糖與PEDOT:PSS/CS的紅外光譜上，均發(fā)現(xiàn)了位于1589 cm-1處的N-H振動(dòng)吸收峰，通過與已發(fā)表研究中殼聚糖紅外光譜對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此峰是殼聚糖分子的特征峰之一，說明殼聚糖分子組裝到棉織物上[9]。此外，PEDOT:PSS的成功組裝也同樣可以通過紅外光譜中相應(yīng)特征峰的出現(xiàn)來表征，觀察到1517和1300 cm-1處的峰正是來自噻吩環(huán)上的C=C、C-C的振動(dòng)伸縮峰[10]。

圖3　未處理棉織物與PEDOT:PSS/CS改性織物的紅外光譜

2.3PEDOT:PSS/CS組裝過程K/S值分析

圖2所示為PEDOT:PSS和CS不同組裝次數(shù)下棉織物表面的染色色深(K/S值)，其中用奇數(shù)表示棉織物表面最外層分子層為PEDOT:PSS，用偶數(shù)表示最外層為CS，一對(duì)奇偶數(shù)表示一次完整組裝，紅色折線用來引導(dǎo)觀察K/S值變化情況。從圖中可見，隨著組裝次數(shù)的增加，色深K/S值呈現(xiàn)“一上一下奇偶交替”變化規(guī)律，說明由于PEDOT:PSS和CS各自溶液顏色的不同(PEDOT:PSS水溶液為深藍(lán)色，殼聚糖溶液為無色透明溶液)，織物表面色深隨著組裝結(jié)構(gòu)最外層不同的物質(zhì)而出現(xiàn)深淺變化規(guī)律，這種規(guī)律反應(yīng)在色深K/S值曲線上即這種“奇偶交替”變化規(guī)律。當(dāng)PEDOT:PSS處于最外層時(shí)，其K/S值比同次組裝中最外層為CS時(shí)高；反之同理。而隨著組裝次數(shù)增加，K/S值整體呈增大趨勢(shì)，這也說明PEDOT:PSS層數(shù)增加，組裝膜厚度增加，棉織物表面色深增大。

圖4　PEDOT:PSS和CS不同組裝次數(shù)棉織物表面的K/S值

(其中用奇數(shù)表示最外層為PEDOT:PSS，用偶數(shù)表示最外層為CS，一對(duì)奇偶數(shù)表示一次完整組裝，紅色折線用來引導(dǎo)觀察K/S值變化情況)

2.4防紫外線性能研究

改性棉織物的防紫外線性能采用紫外線防護(hù)因子(UPF)，以及UVA、UVB透過率來表征分析。圖5為織物的UPF值和UVA、UVB透過率。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，PEDOT:PSS/CS改性棉織物的UPF值明顯高于未處理棉織物(UPF=9.37)，且隨著PEDOT:PSS/CS組裝次數(shù)的增加UPF值逐漸增大，僅組裝1次，改性織物的UPF值達(dá)到32.89，組裝5次，改性織物的UPF值高達(dá)92.39，約為未處理棉織物10倍。此外，按照澳大利亞/新西蘭標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 4399: 1996中紫外防護(hù)的最高標(biāo)準(zhǔn)UPF值(50+)，PEDOT:PSS/CS組裝3次時(shí)，織物的UPF值達(dá)到68.34，已經(jīng)明顯超過此標(biāo)準(zhǔn)。綜述所述，說明PEDOT:PSS/CS組裝膜對(duì)棉織物表面改性后，使織物獲得良好的防紫外線性能。

圖5未處理棉織物和PEDOT:PSS/CS改性棉織物UPF值及紫外線(UVA&UVB)透過率

2.5導(dǎo)電性能分析

織物表面的導(dǎo)電性能用IV曲線評(píng)價(jià)，如下頁圖6所示為不同組裝次數(shù)時(shí)織物表面的導(dǎo)電IV曲線。由圖6可見，PEDOT:PSS/CS在織物表面僅組裝1次時(shí)導(dǎo)電IV曲線斜率就有明顯的變化，說明組裝1次后，改性棉織物的表面電阻率明顯改變；另外，隨著組裝次數(shù)的增加組裝織物表面的導(dǎo)電性能逐漸改善，組裝5次的導(dǎo)電效果最好。下頁圖7表示不同組裝次數(shù)的改性棉織物表面電阻率數(shù)值變化，從圖中可見，未處理純棉織物表面電阻率很大，為7.19×107Ω·m；僅組裝1次，改性棉織物的表面電阻率降到9.38×104Ω·m，與未處理棉織物相比，電阻率下降了3個(gè)數(shù)量級(jí)，這個(gè)結(jié)果也與前面導(dǎo)電IV曲線變化結(jié)果相吻合；組裝3次，改性棉織物的表面電阻率為1.11×103Ω·m，組裝5次后，改性棉織物的表面電阻率降到4.4×102Ω·m，相比未處理棉織物電阻率7.19×107Ω·m下降了5個(gè)數(shù)量級(jí)，說明聚噻吩PEDOT:PSS和殼聚糖對(duì)棉織物的組裝改性能降低棉織物的表面電阻率，增強(qiáng)織物的導(dǎo)電性能。

圖6　不同組裝次數(shù)織物表面的導(dǎo)電IV曲線

圖7　不同組裝次數(shù)織物表面電阻率值

3結(jié)論

本文采用聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)和殼聚糖通過一種靜電層層自組裝方法對(duì)棉織物進(jìn)行表面改性，從而賦予改性棉織物導(dǎo)電、防紫外線性能。通過掃面電鏡照片發(fā)現(xiàn)，PEDOT:PSS和殼聚糖在棉織物表面組裝形成膜結(jié)構(gòu)，織物纖維表面被組裝膜覆蓋，組裝膜均勻分布在棉纖維表面。通過K/S值呈“奇偶交替”變化規(guī)律間接證明了PEDOT:PSS和殼聚糖在織物表面的層層交替組裝過程。經(jīng)防紫外線測(cè)試發(fā)現(xiàn)改性棉織物具有超強(qiáng)的紫外線防護(hù)能力，僅組裝1次，改性織物的UPF值達(dá)到32.89，組裝5次，改性織物的UPF值高達(dá)92.39，約為未處理棉織物10倍。另外， PEDOT:PSS和殼聚糖對(duì)棉織物的組裝改性降低了棉織物的表面電阻率，組裝5次后，改性棉織物的表面電阻率降到4.4×102Ω·m，相比未處理棉織物電阻率7.19×107Ω·m下降了5個(gè)數(shù)量級(jí)。綜上所述，采用聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)和殼聚糖通過靜電層層自組裝方法對(duì)棉織物進(jìn)行表面改性，能獲得具有超強(qiáng)防紫外線性能和導(dǎo)電性能的功能織物，為防紫外線紡織品和導(dǎo)電紡織品的研發(fā)注入了新鮮血液，未來的研究中我們將在此基礎(chǔ)上對(duì)層層組裝功能織物繼續(xù)進(jìn)行探索。

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Preparation and Properties Study of Layer-by-Layer Self-assembly Cotton Fabric Based on PEDOT:PSS/Chitosan

HUXi-li,TIANMing-wei,QULi-jun

(College of Textiles & Fashion, Qingdao University, Qingdao, 266071)

Abstract:PEDOT:PSS and Chitosan (CS) were utilized as functional agent to modify the surface of cotton fabric via a facile electrostatic layer-by-layer self-assembly method and the ultraviolet blocking and conductive properties of the treated fabrics were studied. The surface pattern structure of modified cotton fabric was analyzed by SEM, FTIR and K/S value; ultraviolet blocking property was assessed by adopting UPF and conductive property was measured on the surface of fabric by adopting two-probe method and IV curve was got. The studied showed that the fabric modified by graphene had excellent ultraviolet blocking property and its conductive property also increased. With 5 times assemblies, the UPF value of treated fabric was up to 92.39, while that of the untreated one was just 9.37. And the electrical resistivity of the treated fabric decreased from 7.19×107 Ω·m to 4.4×102 Ω·m.

Key words:PEDOT:PSSChitosanlayer-by-layer self-assemblyconductive propertyUV-blocking property

中圖分類號(hào)：TQ340.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-5580(2016)01-0098-05

通訊作者：曲麗君(1964-)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51273097, 51306095)；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No. 2014M561887);泰山學(xué)者建設(shè)工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助。

收稿日期：2015-09-02

第一作者：胡希麗(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：棉織物功能改性。