柔性压力感应导电织物的制备及感应性能的研究

摘要

本课题采用聚吡咯气相沉积的方法,选用低温真空的工艺路线,以涤纶/氨纶弹力织物为基布,制备具有压力感应能力的导电织物。利用自行设计制作的施压装置分别测试导电织物的静态电阻率和动态电阻率。探索了氧化剂浓度、氧化剂浸渍时间、吡咯反应时所处环境温度、反应时间、导电织物洗涤时间(次数)等因素对试样电学性能的影响；分析导电织物的压缩回弹性能；得出了作为压力感应智能织物的最佳制备工艺参数；用导电织物、施压装置、测量电路、数据采集卡、计算机及计算机软件平台(Labview)搭建了织物压力感应的在线显示报警系统,成功地用导电织物获得了良好的压力-电信号响应。
　　 经过实验分析发现,聚吡咯气相沉积反应分为两个阶段,前一阶段反应速度快、反应局限于在试样表面进行、形成的聚吡咯结构松散；后一阶段虽然反应缓慢、但是吡咯在试样内部生成均匀致密的聚吡咯薄膜,大大增加了试样的导电率。论文对反应速度与织物导电效果之间的关系作了相应的解释,并以通过增加导电网络通路而提高织物导电性能为目标,探索了气相沉积法制备具有良好电学性能织物的最佳工艺,即饱和的氧化剂浸渍时间(15min),较低的反应环境温度(0℃),吡咯环境温度(30℃),较高的氧化剂浓度(30％),反应时间为90min。
　　 研究还发现,导电织物随着外界压力的增加其电阻率先是大幅降低,随后降幅变小,最后趋于恒定；导电性高的织物试样不仅具有敏感的压力-电信号响应,而且具有较宽的压强感应范围,其稳定的压强感应范围在0～32×104Pa之间；在测试施压-释压电阻率变化的实验中发现释压过程的电阻率恢复出现滞后现象；导电织物的压缩回弹性测试显示随着导电性的增加,试样压力回弹性先下降,后回升。
　　 在压力感应报警系统的测试中,当导电织物试样电阻因受压而降低到设定阈值时,系统按程序设计发出报警动作(同时发出报警声和报警灯信号)；通过调节测试电路中的标准电阻值,可以改善系统对压力响应的敏感度。该系统非常有效,工作稳定,压力感应敏锐,实现了导电织物应用于压力传感器的设想,是柔性薄型织物压力传感器系统的雏形,实现了导电织物真正具有感应压力的“智能”行为。

目录

文摘

英文文摘

第一章 综述

1.1 智能纺织品

1.1.1 智能纺织品及其发展趋势

1.1.2 智能导电织物在传感器上的应用及其发展现状

1.2 导电材料及其发展现状

1.2.1 导电材料的种类和导电特性

1.2.2 高分子导电材料的种类

1.2.3 高分子导电材料的导电机理

1.3 聚吡咯导电机理及合成方法

1.3.1 聚吡咯的导电机理

1.3.2 聚吡咯的掺杂机理

1.3.3 聚吡咯的反应机理

13.4 聚吡咯的合成方法

1.4 本课题的主要任务

1.4.1 问题陈述

1.4.2 研究目标

1.4.3 研究意义

1.4.4 研究内容

1.5 章节安排

第二章 聚吡咯导电织物的制备

2.1 基布的选择

2.1.1 各类纤维作为基布材料的优缺点

2.1.2 聚酯的组成及性质

2.1.3 氨纶的组成及性质

2.2 聚吡咯气相沉积法

2.2.1 聚吡咯气相沉积的工艺路线

2.2.2 聚吡咯气相沉积反应装置设计

2.2.3 聚吡咯气相沉积实验操作步骤

2.3 导电织物制备

2.3.1 实验材料、药品、仪器设备介绍

2.3.2 制备工艺

2.4 气相沉积反应的现象

2.4.1 吡咯液体颜色的变化及沸腾

2.4.2 试样颜色的变化

2.5 本章小结

第三章 环境因素和工艺参数对静态电阻率的影响

3.1 静态加压测试电阻率

3.2 工艺条件对导电织物静态电阻率的影响

3.2.1 真空反应装置内各部位反应效果一致性检验

3.2.2 FeCl3浸渍时间对试样电阻率的影响

3.2.3 反应中吡咯所处环境温度对试样电阻率的影响

3.2.4 洗涤对试样电阻率的影响

3.2.5 FeCl3浸渍液浓度对试样电阻率的影响

3.2.6 气相沉积反应时间对试样电阻率的影响

3.3 气相沉积法工艺稳定性分析

3.4 本章小结

第四章 导电织物动态电阻率及压缩回弹性的研究

4.1 实验

4.1.1 实验设备

4.1.2 动态加压测电阻率

4.1.3 导电织物的制备

4.2 实验结果及分析

4.2.1 氧化剂浓度对动态电阻率的影响

4.2.2 反应时间对动态电阻率的影响

4.2.3 导电织物施压-释压过程的电阻率变化趋势

4.2.4 气相沉积处理对试样回弹性的影响

4.3 本章小结

第五章 织物压力感应系统的搭建

5.1 压力感应系统电路框架

5.2 压力感应系统的搭建

5.2.1 压力感应部件

5.2.2 数据采集卡

5.2.3 数据采集卡的安装、测试

5.2.4 信号连接

5.3 压力感应系统的软件

5.3.1 Labview的优点

5.3.2 压力感应系统程序功能设计

5.3.3 压力感应系统程序面板设计

5.3.4 压力感应系统程序编辑

5.4 压力感应显示报警系统效果测试

5.5 利用压力感应系统测试导电试样的电学性能

5.6 本章小结

第六章 结论及展望

6.1 结论

6.2 不足之处

6.3 展望

参考文献

附录

攻读硕士期间发表文章

致谢