导电纤维在新型纺织品中的应用进展

第３１卷㊀第６期２０２３年１１月
现代纺织技术
ＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｘｔｉｌｅ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ.３１ꎬＮｏ.６Ｎｏｖ.２０２３
ＤＯＩ:１０.１９３９８∕ｊ.ａｔｔ.２０２３０３０１５
导电纤维在新型纺织品中的应用进展
谢金林１ꎬ张㊀京１ꎬ郭宇星２ꎬ赵志慧２ꎬ邱㊀华１ꎬ顾㊀鹏１ꎬ２
(１.江南大学纺织科学与工程学院ꎬ江苏无锡㊀２１４１２２ꎻ
２.江西恩达麻世纪科技股份有限公司ꎬ江西新余㊀３３６６００)
㊀㊀摘㊀要:近年来随着科技的发展以及人类生活水平的提升ꎬ以导电纤维∕纱线为原料织造而成的现代新型纺织品在抗静电㊁电磁屏蔽㊁传感等领域得到了巨大的进展ꎮ然而由于传统金属导电纤维手感差及传统碳纤维难以进行色彩再加工等原因ꎬ限制了传统导电纤维在现代纺织品尤其是智能纺织品上的发展与应用ꎮ结合近年来国内外导电纤维领域的研究成果ꎬ从导电纤维的分类㊁制备方法㊁应用等几个角度出发ꎬ综述了导电纤维在新型纺织品中的应用进展ꎮ文章将导电纤维分成无机导电纤维㊁有机导电纤维和复合导电纤维等三大类ꎬ介绍了导电纤维的制备方法ꎬ如纺丝法㊁涂覆导电层法等ꎻ然后着重介绍了导电纤维在抗静电㊁抗电磁辐射和纤维基柔性传感器中的应用ꎻ最后ꎬ文章总结了导电纤维近年来的发展和应用趋势ꎬ并指出其在发展中面临的亟待解决的问题ꎮ期望导电纤维不仅在传统的抗静电㊁抗辐射领域发挥作用ꎬ而且能与物理㊁电子等学科进行交叉ꎬ在智能可穿戴电子器件㊁柔性能源存储及多功能纺织品等领域广泛应用ꎮ
关键词:导电纤维ꎻ柔性纤维ꎻ抗静电ꎻ电磁屏蔽ꎻ智能可穿戴设备
中图分类号:ＴＳ１０２.５㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００９￣２６５Ｘ(２０２３)０６￣０２４１￣１４
收稿日期:２０２３０３１０㊀网络出版日期:２０２３０６０８
基金项目:江苏省产学研项目(ＢＹ２０２２１１９１)ꎻ江西省揭榜挂帅重大项目(２０２１３ＡＡＥ０２０１７)
作者简介:谢金林(２０００ )ꎬ女ꎬ湖北荆门人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事导电材料与智能穿戴方面的研究ꎮ通信作者:顾鹏ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｐｅｎｇ.ｇｕ＠ｊｉａｎｇｎａｎ.ｅｄｕ.ｃｎ
㊀㊀随着现代科学技术的不断发展和人类生活品质的不断改善ꎬ纺织品的保暖㊁蔽体㊁美观等作用已经无法满足人们日益增长的需求ꎬ许多功能性纺织品顺时而生ꎮ为了提高纺织品的附加值ꎬ市场对多功能㊁新颖㊁高附加值的纤维需求量很大ꎮ近年来ꎬ随着智能穿戴的兴起与航空航天特种装备的发展ꎬ导电纤维的研究与开发逐渐成为研究的热点与焦点ꎮ导电纤维可用于传感器㊁防静电服装㊁电磁干扰屏蔽面料㊁信号传输和交互纺织品中ꎬ用导电纤维制得的导电纺织品因为其优良的抗静电㊁抗电磁辐射性能而深受市场的喜爱ꎮ因此ꎬ导电纺织品不仅在纺织行业ꎬ而且在电子制造㊁汽车工业㊁军工等领域都有广泛的应用前景ꎮ
导电纤维一般指在２０ħ㊁相对湿度６５％的条
件下电阻率小于１０７Ω ｃｍ的纤维ꎬ是功能性纤维里的一个重要品种[１]ꎮ２０世纪中叶ꎬ随着科技的发展和电子产品的革新换代ꎬ静电对人类生产生活的影
响凸显ꎬ人们逐渐重视其对身体健康的负面影响ꎬ并开始将视线转移到开发抗静电纤维上来ꎬ因此世界上第一种金属导电纤维￣美国 Ｂｒｕｎｓｍｅｔ 由此应运而生ꎮ而中国最早的导电纤维是１９８３年由长沙矿冶研究院率先研发出来的不锈钢纤维[２]ꎮ
金属导电纤维以不锈钢㊁铜㊁铝等金属为导电原料ꎬ将金属丝从模具中反复拉伸制得ꎮ然而ꎬ金属导电纤维有着较多的缺点:与其他纤维混纺时抱合力差㊁加工困难且制成的纺织品手感差ꎻ同时在生产极细单丝时生产成本高ꎬ制成的纺织品性能差ꎮ而后又出现了碳纤维ꎬ碳纤维一般是以腈纶㊁粘胶㊁沥青纤维为原丝ꎬ经过碳化或石墨化处理后制得的导电纤维ꎬ导电性能优良ꎮ但因其价格高并不适合普通的防静电织物方面的应用ꎮ因此ꎬ科研人员正持续地对新型导电纤维进行研究探索ꎮ目前ꎬ制备导电纤维的较为合理且研究量较大的方式是在纤维的表面涂上一层导电皮层ꎬ或
者将导电物质与成纤高聚物共混或复合纺丝ꎮ本
文综述了导电纤维材料的分类㊁制备方法及其导
电纤维在纺织品加工中的应用ꎬ并对现阶段导电
纤维的应用和发展提出了展望ꎮ
１㊀导电纤维材料
１.１㊀导电纤维的分类
１.１.１㊀无机导电纤维
无机导电纤维主要分为金属导电纤维和无机非
金属导电纤维ꎮ金属导电纤维是由一根不锈钢丝经
过模具的反复拉伸而制得的ꎬ具有良好的导电性ꎬ其
电阻率可达１０－４~１０－５Ω ｃｍ[３]ꎮ除不锈钢之外ꎬ其他的金属元素如铜㊁铝等也是很好的制造金属导
电纤维的原料ꎬ他们的导电性㊁耐热和抗化学侵蚀性
都十分优异ꎮ金属导电纤维自身的导电性能㊁导磁
性能㊁耐高温性能以及导热性能都十分优良ꎬ在与其
他普通纤维进行混纺时ꎬ可使混纺纱具有抗静电㊁抗
电磁辐射和抗菌功能ꎮ但是这种模具拉伸法制得的
金属导电纤维存在缺陷:在与其他纤维混纺时ꎬ抱合
力差ꎬ易断裂ꎬ制成的织物手感差ꎬ服用性能差ꎻ这些
缺点限制了其应用和发展ꎮ为了减少上述缺点在纺
织品生产中造成的不良影响ꎬ德国纺织机械和高性
能材料技术研究所(ＩＴＭ)综合考虑到金属纤维的高
刚性和高脆性ꎬ在传统纺纱工艺的基础上ꎬ开发出了
以刨花金属短纤维为原料ꎬ集拉伸㊁纺纱过程于一体
的纺纱工艺链来生产纯金属纱线ꎬ这种方法一定程
度上改善了织物的手感和服用性能ꎬ延伸了金属纤
维的应用范围[４]ꎮ
另一种常见的无机导电纤维 无机非金属
导电纤维ꎬ主要是指碳纤维ꎮ导电碳纤维主要是
以腈纶㊁粘胶等纤维为原丝ꎬ经过碳化㊁石墨化等
处理而制成的一种新型的纤维状材料ꎮ碳纤维既
具有碳材料导电的特性ꎬ又具备纤维的柔软性和
可纺性ꎮ而且碳纤维是电阻的负温度系数导体ꎬ
相对湿度对其导电性的影响不大ꎻ同时碳纤维导
电成分均一ꎬ具有强度高㊁导电性好㊁耐热㊁耐腐蚀
等优点[５￣６]ꎮ碳纤维由于其质轻高强㊁优异的导电性㊁高模量等特点ꎬ一般作为复合材料中的编织增强组分ꎬ与金属㊁陶瓷㊁树脂等进行复合ꎬ用于对传统金属㊁金属合金的轻量化替代ꎬ大规模应用主要有自行车车架㊁汽车零部件ꎮ但是碳纤维价格昂贵ꎬ不适宜大规模的衣物生产ꎮ且碳纤维的颜色为黑色ꎬ难以进行色彩的再加工ꎬ无法满足纺织品色彩多样化的需求ꎮ因此ꎬ碳纤维在纺织品领域应用受限ꎮ
１.１.２㊀有机导电纤维
有机导电纤维主要为导电聚合物类纤维ꎬ通常由导电聚合物本身纺丝成型ꎬ不需要复杂的导电物质掺杂ꎮ１９７７年ꎬ日本筑波大学的白川英树(Ｓｈｉｒａｋａｗａ)课题组在合成聚乙炔薄膜时由于操作失误ꎬ加入过量催化剂而合成得到了高取向顺式聚乙炔ꎮ随后ꎬ白川英树与美国化学家Ｈｅｅｇｅｒ及ＭａｃＤｉａｒｍｉｄ合作发现经五氟化砷掺杂后的聚乙炔具有良好的导电性ꎬ电导率可达１０３Ｓ∕ｃｍꎬ达到了金属级别ꎮ由此ꎬ导电聚合物的发现开创了有机导电纤维的新纪元ꎮ聚乙炔是最早被系统性研究的一类导电聚合物ꎬ随后ꎬ聚吡咯㊁聚噻吩㊁聚苯胺等导电高分子被广泛研究[７]ꎮ一般情况下ꎬ由于导电高分子的熔点高于其分解温度ꎬ因而不能用熔融纺丝法制备ꎬ主要使用溶液纺丝法ꎮ导电纤维的性能与聚合物本身的相对分子质量㊁溶解性㊁纺丝成型方法和掺杂方法等有关ꎮ
聚吡咯是一种杂环共轭型导电聚合物ꎬ导电聚吡咯具有共轭链氧化㊁对应阴离子掺杂结构ꎬ其电导率可达１０２~１０３Ｓ∕ｃｍꎬ拉伸强度可达５０~１００ＭＰａꎬ其还具有良好的生物相容性㊁快速可逆的氧化还原反应以及高能量负载等优点ꎬ是一种优良的导电材料[８]ꎮ聚吡咯可由吡咯单体通过化学氧化法或者电化学方法制得ꎮ聚噻吩也是一种常见的导电聚合物ꎬ其制备过程简单ꎬ且具有良好的稳定性和电化学性能而受到研究者们的广泛关注ꎬ其合成方法有化学氧化聚合法㊁电化学聚合法㊁光电化学沉积法等[９]ꎮ相比其他高聚物ꎬ聚噻吩具有更好的环境稳定性ꎬ不会降解为有害物质ꎬ较为安全环保ꎮ聚噻吩的导电原理由掺杂和共轭体系实现ꎬ其主要掺杂类型有两种:Ｐ型掺杂与Ｎ型掺杂ꎮ经掺杂后的聚噻吩ꎬ其电导率大大提高ꎮ聚吡咯和聚噻吩都可通过溶液纺丝法直接制成导电纤维ꎮ
相比于聚吡咯和聚噻吩纤维ꎬ聚苯胺纤维是研究最为广泛的导电聚合物纤维ꎮ聚苯胺是一种带有共轭双键的结构型导电聚合物ꎮ具有合成方法简单㊁化学稳定性和热稳定性好㊁电导率高和电化学性能好ꎬ在抗静电㊁电磁屏蔽㊁传感器件等领域应用广泛[１０]ꎮ聚苯胺导电纤维的制备方法也较为成熟ꎬ一般先将聚苯胺溶解于Ｎ￣甲基￣２￣吡咯烷酮(ＮＭＰ)㊁ＬｉＣＬ∕ＮＭＰ或浓硫酸中来制成纺丝液ꎬ再采用湿法纺丝法ꎬ将纺丝液在凝固浴中拉伸制
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得聚苯胺纤维ꎮ通过少量质子酸处理后ꎬ电导率一般为０.１~１０Ｓ∕ｃｍꎬ并可以通过改变质子酸处理的浓度及时间来对聚苯胺纤维的电导率进行一定程度的调节ꎬ这也是其他纤维所不具备的特有的性质[１１]ꎮ
虽然用聚吡咯㊁聚噻吩和聚苯胺等导电高聚物可以直接纺丝制成有机导电纤维ꎬ但由于这些高分子主链中高度共轭的结构使得分子链僵直ꎬ难于溶解和熔融ꎬ使聚合物的纺丝成形和后加工都比较困难ꎮ另外ꎬ有些聚合物中的氧原子容易与水发生反应ꎻ有些聚合物单体毒性较大ꎬ合成过程比较复杂ꎻ这些都大大增加了成形加工的难度与成本ꎮ到目前为止ꎬ聚合物直接纺丝而成的导电纤维尚且难以大规模应用于纺织品ꎬ而将聚合物与其他导电物质复合或共混纺丝制成复合导电纤维能有效地解决这一问题[１２]ꎮ
１.１.３㊀复合型导电纤维
复合型导电纤维ꎬ其基本原理是将金属材料㊁导电高分子㊁碳基材料等多种导电材料与普通纤维进行复合ꎬ或对纤维或纱线基体进行改性ꎬ来制备导电纤维ꎮ复合型导电纤维较常用的加工方法主要有共混纺丝法和表面涂覆导电层法ꎮ复合型导电纤维兼具导电性与传统纤维的抗摩擦㊁抗屈曲㊁抗氧化和抗腐蚀的能力ꎬ它很容易与其他的纤维进行抱合混纺或交织ꎬ还拥有优异㊁持久的导电性ꎮ所以ꎬ该类纤维在产业纺织品㊁服装等领域有着广泛的应用ꎮ
１９７４年ꎬ美国杜邦公司首先研制出了名为ＡｎｔｒｏｎＩＩＩ的皮芯复合导电纤维ꎬ这种纤维以聚乙烯为芯ꎬ聚酰胺６６(ＰＡ６６)为皮ꎮ自此以后ꎬ世界上主要的化工企业相继投入到了对含炭黑成分的复合导电纤维的研发中ꎮ然而炭黑复合导电纤维的颜色一般都是灰黑色ꎬ这就制约了它的使用范围ꎮ因此ꎬ从２０世纪８０年代ꎬ人们开始对导电性纤维的白色化进行深入的研究ꎮ不同国内外团队先后利用铜㊁银㊁镍㊁镉等金属硫化物㊁碘化物和氧化物作为导电性材料ꎬ通过复合纺丝ꎬ制备出了满足不同着色要求的白色导电纤维ꎮ
１９８９年ꎬＧｒｅｇｏｒｙ等[１３]以锦纶为基体ꎬ利用原位吸附聚合法ꎬ使苯胺在纤维表面进行氧化聚合ꎬ从而使其能够在纤维表面上均匀地沉积ꎬ并渗透到纤维内部ꎮ这种方法制备出的导电纤维由于其渗透到纤维内部的交织结构使其具有较高的皮芯稳定性ꎬ因此导电性十分持久ꎮ除了以锦纶等合成纤维为基体来制备导电纤维外ꎬ研究人员还将天然纤维作为基体来制造导电性能优异的抗静电纤维ꎬ充分发挥基体天然纤维具有的保暖㊁抗菌㊁吸湿排汗等特性ꎮ比如ꎬＦｏｉｔｚｉｋ等[１４]通过化学气相聚合法ꎬ在羊毛织物表面均匀的覆盖一层导电高聚物ꎬ导电聚噻吩层使织物表面的电导率得到了显著提升ꎮ
近年来ꎬ由于纳米科技的进步ꎬ新型纳米复合导电纤维逐渐被开发出来[１５]ꎮ各种形貌的纳米颗粒可以填充导电网络中的空位ꎬ使导电通路更加顺畅ꎬ进一步提升导电纤维的电导率ꎮＷａｎｇ等[１６]发现从木材等自然资源中分离出来的纤维素纳米原纤维具有很强的机械性能ꎬ高的热稳定性ꎬ光学透明性和易于功能化的特性ꎬ这对于制造高性能电子设备非常重要ꎮ通过湿法纺丝纺制可再生纤维素纳米纤维(ＣＮＦ)和银纳米线(ＡｇＮＷ)来获得导电的ＡｇＮＷ￣ＣＮＦ纤维ꎮＷａｎｇ等[１６]通过实验发现ꎬＡｇＮＷｓ的负载量对ＣＮＦ￣ＡｇＮＷ纤维的导电性有着重要影响ꎮ中空ＣＮＦ￣ＡｇＮＷ纤维以质量分数为３０％~４０％的ＡｇＮＷ负载比形成ꎬ其中４０％含量的ＣＮＦ￣ＡｇＮＷ中空纤维实现了６.８ˑ１０５Ｓ∕ｍ的高电导率ꎮ由于ＣＮＦ￣ＡｇＮＷ纤维具有很高的柔韧性和良好的机械性能ꎬ因此可以很容易地与其他可商购的纤维进行编织或整合ꎬ具有广阔的应用前景ꎮ除了将银纳米线负载到ＣＮＦ上制备导电纤维之外ꎬＺｈｏｕ等[１７]还以ＣＮＦ为基体ꎬ通过界面合成法ꎬ将导电金属￣有机框架(ｃ￣ＭＯＦ)纳米涂层均匀地负载到ＣＮＦ上ꎬ最终制备了ＣＮＦ＠ｃ￣ＭＯＦ复合纳米导电纤维ꎮ制备过程如图１(ａ)所示ꎮ由于ｃ￣ＭＯＦ具有高导电性ꎬ使得该复合纳米导电纤维展现出１００Ｓ∕ｍ的超高电导率ꎮ与此同时ＭＸｅｎｅ作为一种二维层状纳米材料ꎬ同样拥有极高的电导率㊁快速的离子扩散性和高可逆表面氧化还原反应性ꎮＺｈａｎｇ等[１８]将小ＭＸｅｎｅ(Ｓ￣ＭＸｅｎｅ)和大ＭＸｅｎｅ(Ｌ￣ＭＸｅｎｅ)依次涂覆到棉纱和棉织物上ꎬ分别制备了ＳＬ￣ＭＸｅｎｅ导电棉纱(ＳＬ￣ＭＹ)和导电棉织物(ＳＬ￣ＭＦ)ꎬ制备过程如图１(ｂ)所示ꎮ该导电棉织物的电导率可达到２０２０Ｓ∕ｍꎬ电磁屏蔽效能可以达到４２.７ｄＢꎬ且在洗涤５０次后ꎬ其电磁屏蔽效能还能保持在３３.６ｄＢꎮ
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第６期谢金林等:导电纤维在新型纺织品中的应用进展
图１㊀两种复合导电纤维及织物的制备过程
Ｆｉｇ.１㊀Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｗｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｆｉｂｅｒｓａｎｄｆａｂｒｉｃｓ
２　导电纤维的制备方法
导电纤维的制备方法有很多种ꎬ大体上可分为纺丝法和纤维表面涂覆导电层法ꎬ也有一些其他的方法ꎬ如拉伸法和碳化法ꎮ下文将对导电纤维的制备方法进行简单的介绍ꎮ
ａ)纺丝法ꎮ纺丝法是制备纤维的重要方法之
一ꎮ在纺丝工艺中ꎬ又分为共混或复合纺丝法和聚合物直接纺丝法ꎮ其中ꎬ共混或复合纺丝法即采用各种导电物质如金属氧化物㊁有机物等与成纤高聚物经纺丝法制得纤维的方法ꎮ聚合物直接纺丝是指采用湿法纺丝法将导电聚合物(例如聚乙炔㊁聚苯胺㊁聚吡咯㊁聚噻吩等)纺丝溶液从喷丝
头的喷丝孔中压出ꎬ在凝固浴中冷却ꎬ直接纺成纤维的方法ꎬ湿法纺丝过程如图２(ａ)所示[１９￣２０]ꎮ薛超等[２１]以碳纳米管(ＣＮＴ)㊁液体金属(ＬＭ)㊁热塑性聚氨酯(ＴＰＵ)等为基材ꎬ以Ｎ￣二甲基甲酰胺(ＤＭＦ)为溶剂ꎬ以去离子水(ＤＭＦ)为凝固浴ꎬ采用
湿法纺丝法ꎬ制备ＣＮＴ∕ＬＭ∕ＴＰＵ复合导电纤维ꎮ该试验结果表明ꎬ当纤维被拧得更紧时ꎬ其横截面会增加ꎬ而当纤维的电阻率一定时ꎬ横截面的增加会降低其电阻ꎬ从而提升导电性ꎮ微控流纺丝是一种以传统湿法纺丝为基础ꎬ开发出的一种可以生产微米级纤维的新型纺丝技术ꎬ这种技术可以通过对微通道中微尺度液体的控制ꎬ实现对纤维的尺寸和形貌的微观控制[２２]ꎮＳｒｉｖａｓｔａｖａ等[２３]采用聚二甲基硅氧烷(ＰＤＭＳ)的微流控装置ꎬ利用微
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控流技术ꎬ并采用一步和两步纺丝法ꎬ实现了对聚乙烯吡咯烷酮及聚吡咯纳米纤维的可控制备ꎮ该实验结果表明ꎬ基于ＰＤＭＳ的微控流装置可形成多射流纺丝源ꎬ具有快速成型的优势ꎬ且制成的导电纳米纤维在生物传感㊁智能导电织物上都有很大的应用潜力ꎮ静电纺丝技术也是制备导电纤维的一种重要的工艺ꎬ其原理是聚合物或熔体在强电场中直接喷射纺丝ꎬ可生产长径比大㊁比表面积大的纳米级纤维[２４]ꎬ已经被广泛应用于多个领域ꎮ另一种常见的湿法纺丝是浮动催化化学气相沉积(ＦＣＣＶＤ)法也叫化学气相沉积直接纺丝法ꎬ是制备碳纳米管(ＣＮＴ)纤维的常用方法[２５]ꎬ流程工艺如图２(ｂ)所示ꎮ用该方法制备的ＣＮＴ纤维具有优异的机械性能㊁超高的电导率和极佳的化学稳定性ꎬ在导电多功能织物㊁智能可穿戴设备以及超级电容器电极材料中应用广泛[２６]
ꎮ
图２㊀导电纤维的常用制备方法
Ｆｉｇ.２㊀Ｃｏｍｍｏｎｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｆｉｂｅｒｓ
㊀㊀ｂ)纤维表面涂覆导电层法ꎮ纤维表面涂覆导
电层法是指采用一定的方法在纤维表面形成一层可
导电的物质ꎬ如镀覆法和原位合成法ꎮ采用超临界
流体(ＳＣＦ)技术在纤维上镀一层金属使纤维获得良
好的导电性是镀覆法的一种ꎬ国内外学者正致力于
芳纶㊁聚酯和锦纶等合成纤维在该技术中的研发ꎮ
但是ꎬ目前采用ＳＣＦ技术对纤维表面进行镀金属
时ꎬ仍面临着许多问题ꎬ比如:纤维与金属板之间的
黏附性较低等ꎮ且该技术在应用过程中ꎬ对材料的
耐热性要求较高ꎬ制约了天然纤维在这种技术中的
应用ꎮＣｈｏ等[２７]将腈纶浸泡在铜盐溶液中ꎬ使铜离
子与腈纶纤维的氰基络合ꎬ在纤维表面生成铜硫化
物ꎬ以提高腈纶纤维的导电性ꎮ由日本蚕毛印染公
司生产的 ＳＳＮ 纤维以日本帝人公司生产的 Ｔ￣２５
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第６期谢金林等:导电纤维在新型纺织品中的应用进展
纤维(电阻率在１０７~１０８Ω ｃｍ之间)和聚苯胺(ＰＡＮ)纤维为原料ꎬ并且将碘化亚铜(ＣｕＩ)涂覆在纤维表面ꎬ制备导电纤维ꎮ中国还以ＰＡＮ和聚酰胺(ＰＡ)为基体生产出了名为ＥＣ￣Ｎ的导电纤维[２８]ꎮ共聚接枝法作为原位合成法的一种ꎬ是将合适的支链或功能侧基以化学方式结合到大分子链段上ꎬ从而制备出性能优良的改性纤维的方法ꎮ与传统的物理涂覆㊁涂层等方式相比ꎬ共聚接枝法是一种化学改性ꎬ它的物理化学性质更加优良ꎬ并且其耐用性㊁稳定性也更高ꎮ范洁[２９]以苯胺单体为原料ꎬ采用接枝共聚的方法使苯胺单体(ＰＡＮＩ)在环氧氯丙烷(ＥＣＩＰ)￣聚乙烯醇(ＰＶＡ)的表面进行接枝聚合ꎬ制备了ＥＣＩＰ￣ＰＶＡ∕ＰＡＮＩ复合导电纤维ꎮ相似的工作还有将ＭＯＦ㊁ＭＸｅｎｅ以及石墨烯等导电材料通过化学方法原位锚固在纤维表面[３０]ꎮ
ｃ)其他方法ꎮ拉伸法是制备金属丝导电纤维的主要方法ꎬ其又分为单丝拉伸法和集束拉伸法ꎬ用这两种方法生产的纤维直径约为８~３５μｍꎬ与熔融纺丝法生产的纤维直径几乎相同[３１]ꎮ采用切割法制备的纤维直径一般在１５~３００μｍ之间ꎮ结晶析出法可以得到的纤维的最小直径在０.２~８.０μｍ之间ꎬ采用这种方法可以得到较短的纤维ꎮ主要用于抗静电地毯㊁工装布料的生产以及无纺布的生产制造ꎮ采用碳化工艺对纤维进行深加工也是当前普遍采用的一种方式ꎮ普通纤维(如聚苯胺纤维㊁纤维素纤维㊁沥青纤维等)经过碳化后ꎬ纤维的导电性可以得到大幅度提高ꎮ以碳纤维为例ꎬ其导电㊁导热等特性优异ꎬ但其模量较大韧性小ꎬ所以在传统纺织服装领域的应用受到限制ꎮ目前ꎬ主要将聚丙烯腈纤维低温碳化来制备碳导电纤维用于产业用纺织品上[３２]ꎮ３㊀导电纤维在纺织品中的应用
３.１㊀抗静电功能
织物的静电现象是指纤维表面的静电荷由于不能及时泄漏掉而产生的静电荷积聚现象ꎮ在纺织品的生产加工过程及使用中ꎬ静电现象表现得尤其明显ꎮ为了减少静电现象给人类生产活动带来的不便ꎬ研究人员们将眼光重点投入到了导电纤维的研究中[３３]ꎮ现已生产出的导电纤维ꎬ从整体上来讲ꎬ生产工艺主要有两类:一类是普通合成纤维表面或者内部引入亲水性基团ꎬ从而使得它在特定的环境湿度温度下ꎬ拥有日常生产生活中所需的抗静电性ꎻ还可以对纤维进行接枝改性ꎬ或与亲水性纤维进行混纺㊁交织ꎬ从而使纤维的导电性得到改善[３４]ꎮ另一类是直接将导电长丝嵌入普通合成纤维中ꎬ或将导电短纤维与普通纤维混纺ꎬ使制得的织物获得导电性ꎮ这两类抗静电纤维的作用原理不同ꎬ前者采用一种化学改性的方式ꎬ通过提高纤维的回潮率来增加导电性ꎮ这是由于水的导电性很强ꎬ通过吸收微量的水ꎬ可以改善物质的导电性ꎬ还可以给电荷提供一个传递媒介ꎬ促使离子朝着相反的电极运动ꎬ从而使得大部分的静电泄漏该原理是 漏电 效应ꎬ但材料的静电性会随湿度的下降而降低ꎮ而后者则是通过电磁场作用ꎬ产生自身电晕放电ꎬ从而使纤维附近的空气被电离ꎬ产生正㊁负离子ꎮ空气中的正(负)电荷与织物表面的负(正)电荷相互抵消ꎬ从而消除了静电[３５]ꎮ
为了探讨有机导电性短纤维对织物的抗静电性的影响ꎬ伏广伟等[３６]以聚酯纤维和棉为原料ꎬ利用不同的纺纱方式ꎬ将不同比例的有机导电性短纤维与其混纺ꎬ并对织物的导电性进行了研究和评价ꎮ该研究表明ꎬ当导电性纤维用量相同时ꎬ环锭纱比转杯纱导电性好ꎻ当有机导电纤维的质量分数达到４％左右的时候ꎬ织物的比表面积电阻会下降到１０７~１０９Ω∕ｃｍ２ꎬ这样就能够达到抗静电的需求ꎬ如果再提高它的含量ꎬ不但会增加成本ꎬ还会影响到织物的服用性能ꎮ南燕等[３７]通过分析不同类型导电非金属复合纤维的结构和性质ꎬ设计开发了涤纶导电织物ꎬ最终织物的初始面密度和洗涤５０次的电荷密度都小于１０μｃ∕ｍ２ꎬ明显低于基础织物的电荷密度ꎮ林燕燕等[３８]用嵌织法将导电性碳黑尼龙长丝复合ꎬ制成了涤纶抗静电织物并探讨了导电长丝含量㊁结构㊁种类和嵌入形式等因素对纤维的抗静电性的影响ꎮ该研究发现ꎬ当纤维中导电纤维的含量增加时ꎬ纤维的抗静电性也会随之增加ꎬ但增加到一定程度后ꎬ抗静电性的变化不再明显ꎬ增加幅度十分微小ꎻ在不同的织物结构中ꎬ缎纹织物的抗静电性能最好ꎻ拉伸变形丝(ＤＴＹ)型导电复合丝织物比全拉伸丝(ＦＤＹ)型具有更好的抗静电性ꎻ经纬双向嵌入导电纤维ꎬ其织物抗静电性优于仅单向嵌入导电纤维的织物ꎮＸｕ等[３９]将磺化碳纳米管(ＳＣＮＴ)掺入有机抗静电剂(ＯＡＡ)中制成混合抗静电剂ꎬ并将其涂在纤维表面以构建皮芯导电纤维ꎬ制备方法如图３所示ꎮ由于磺酸基团的存在ꎬＳＣＮＴｓ具有良好的分散性ꎬ继而使ＳＣＮＴｓ均匀地分散在纤维表面ꎮ当ＳＣＮＴｓ∕ＯＡＡ的添加质量分数为０.５％~２.０％时ꎬ纤维具有优异的抗静电能力ꎮ
６４２ 现代纺织技术第３１卷
图３㊀抗静电皮芯结构导电纤维的制备
Ｆｉｇ.３㊀Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｆｉｂｅｒｓｗｉｔｈａｎｔｉｓｔａｔｉｃｌｅａｔｈｅｒｃｏｒｅｓ
３.２㊀抗辐射与电磁屏蔽特性
电磁污染 是一种由电磁辐射引起的有害人体健康的现象ꎬ一般是指:当电磁辐射的能量超出了人类或者周围的环境所能承受的极限时ꎬ它会对人类和环境造成伤害及污染ꎬ进而影响人类及环境动植物的健康ꎮ随着人类生活条件的逐步改善ꎬ电子产品在生活中无处不见ꎮ从微波炉到电磁炉ꎬ从手机到笔记本电脑ꎬ甚至是目前大力发展的新能源汽车ꎮ电磁污染在人类生活中无处不在极为常见[４０]ꎮ在多种电磁屏蔽防护材料中ꎬ其中一种就是用导电纤维做成的电磁屏蔽纺织品ꎮ该种由导电纤维制成的电磁屏蔽织物在受到外界电磁波作用时ꎬ可以产生感应电流同时形成与外部磁场相反的磁场ꎬ与外部磁场相互抵消ꎬ进而达到纺织品电磁屏蔽效果ꎮＸｉｏｎｇ等[４１]首先采用湿法纺丝技术制备了大量的ＭＸｅｎｅ短纤维ꎬ后采用一种绿色和新颖的湿法组装方法ꎬ将ＭＸｅｎｅ短纤维组装成非织造ＭＸｅｎｅ纤维织物(ＭＦＦ)ꎮ所制备的织物多孔且重量轻ꎬ同时表现出７０８Ｓ∕ｃｍ的高导电性ꎮ此外ꎬＭＦＦ在１０７μｍ的厚度下表现出７５.０ｄＢ的出色电磁(ＥＭＩ)屏蔽效果㊁出色的焦耳加热能力(在３.５Ｖ电压下高达３７０ʎＣ)和出色的光热转换能力ꎬ在ＥＭＩ屏蔽㊁可穿戴智能服装和多功能织物中显示出巨大的潜力ꎮＷａｎｇ等[４２]将聚吡咯改性Ｔｉ３Ｃ２Ｔｘ沉积到聚对苯二甲酸乙二酯织物的表面ꎬ制备了既有良好透气性又有优异电磁屏蔽性且防水的织物ꎮ该织物的电导率高达１０００Ｓ∕ｍꎬ当织物厚度为１.３ｍｍ时ꎬ电磁屏蔽效能值高达９０ｄＢꎮ高导电性过渡金属碳∕氮化物(ＭＸｅｎｅ)纳米片同时具有很高的电磁波吸收和内外部抵消作用ꎬ相比于传统碳纳米材料更适于制备电磁屏蔽织物ꎮＬｉｕ等[４３]通过同轴湿法纺丝方法ꎬ以导电ＭＸｅｎｅ为核层ꎬ芳纶纳米纤维(ＡＮＦ)为壳层ꎬ制备出超韧㊁高强㊁高导电和环境稳定性好的ＡＮＦ＠ＭＸｅｎｅ核壳纤维ꎮ高度取向的ＡＮＦ＠ＭＸｅｎｅ核壳纤维解决了ＭＸｅｎｅ纤维的导电性能和高力学性能不能兼得的难题ꎬ兼顾了高导电㊁超韧性㊁高拉伸强度和环境稳定性ꎮ
３.３㊀纤维基柔性传感器
相比于近年来出现的平面型柔性传感器ꎬ纤维基柔性传感器不仅具有质轻㊁柔韧性好㊁透气性好等优点ꎬ而且纤维状的器件结构便于与织物结合ꎬ展现出优异的透气性和舒适度ꎬ在可穿戴健康监控㊁运动识别等方面具有重要的应用价值ꎮ在天然纤维㊁合成纤维㊁超强合成纤维三大类纤维的基础上ꎬ研究人员开发出了多种纤维基柔性传感器ꎮ
３.３.１㊀天然纤维基柔性传感器
在天然纤维中ꎬ棉纱的应用较为广泛ꎮＱｉ等[４４]以棉纱为纤维基底ꎬ采用静电纺丝技术将碳纳米管(ＣＮＴ)嵌入到聚氨酯(ＰＵ)纳米纤维中ꎬ通过与镍涂覆面纱复合构成压阻传感单元ꎬ再利用编织技术构建出一个三维的㊁有弹性的㊁多孔的㊁可用来监测二维空间中压力分布的网络结构ꎬ如图４(ａ)所示ꎮ不同的ＣＮＴ添加质量时传感器电阻Ｒ随压力变化示意如图４(ｂ)所示ꎬＣＮＴ浓度越大对传感器电阻变化影响越明显ꎬ且相对电阻随着施加压力的增大而呈现指数型下降ꎮ在０.００１~１Ｎ范围内该传感器具
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第６期谢金林等:导电纤维在新型纺织品中的应用进展。