导电纤维的发展现状及应用前景_丁长坤

322006年第3期功能性纺织品及纳米技术应用

导电纤维的发展现状及应用前景

丁长坤,程博闻,任元林,康卫民,张金树

(天津工业大学,天津300160)

[摘要]　综述了导电纤维的分类和制造方法,介绍了导电纤维的国内外研究进展和用途,预测了导电纤维的市场前景。

[关键词]　导电纤维;制造方法;研究进展;应用

[中图分类号]TS102.52+8　[文献标识码]A　[文章编号]1003-1308(2006)03-0032-09

1　引　言

人类对静电现象自古就有所观察和研究,但直至20世纪中期,随着工业生产的发展,因静电造成的事故日益增多,静电的作用和危害才引起各国研究机构和学术组织的重视。

近年来,随着计算机、电信、微波炉等的迅速发展和普及,人类生活、工作环境中的电磁辐射日渐严重,因而产生的电磁波干扰对电子仪器设备的正常工作及人类的生理健康带来了很多负面影响。为了防止静电干扰和电磁波干扰,从20世纪中期至今,人们已开发出各种抗静电产品和电磁屏蔽材料。近几十年,研究的重点又更多地转向了导电纤维。由于导电纤维的抗静电效果显著而持久,且不受环境湿度的影响,当导电层达到一定厚度或导电成份达到一定比例后,就具有优良的电磁屏蔽功能,因此导电纤维的研制和应用越来越受到重视。

导电纤维是通过电子传导和电晕放电而消除静电的功能性纤维。通常是指在标准状态下(20℃、65%相对湿度)、比电阻在107Ψ·c m以下的纤维。导电性能优良的纤维,其比电阻在102～105Ψ·c m,甚至小于10Ψ·cm,而此时涤纶的比电阻大约为1014Ψ·cm,腈纶为1013Ψ·cm,丙纶为6.5×1015Ψ·cm。由于导电纤维的比电阻值远低于普通纤维,同时电荷半衰期很短,因此导电纤维在任何情况下都可以在极短的时间内消除静电。另外,用导电纤维制成的导电织物,还具有优异的导电、导热、屏蔽、吸收电磁波等功能,广泛应用于电子、电力行业的导电网、导电工作服;医疗行业的电热服、电面、电热绷带;航空、航天、精密电子行业的电磁屏蔽罩等方面[1]。

2　导电纤维的分类和制造方法

2.1　金属系导电纤维

这类纤维是利用金属的导电性能而制得的。主要方法有直接拉丝法,即将金属线反复通过模具进行拉伸,制成直径4～16μm的纤维。主要的金属种类有不锈钢、铜和铝等。其他类似的方法还有切削法,即将金属直接切削成纤维状的细丝。金属纤维一般不单独使用,而与普通纤维混纺制成导电性织物。

[收稿日期]2006-08-28;[修订日期]2006-09-06

另一种方法是金属喷涂法。它是将普通纤维先进行表面处理,再用真空喷涂或化学电涂法将金属沉降在纤维表面,使纤维具有金属一样的导电性。

金属系导电纤维的导电性能接近于纯金属,是导电性能最好的一种纤维,其体积比电阻只有10-4～10-5Ψ·c m ,用但纤维的手感比较差,抱合困难,纤维的混纺不能匀化,因而限制了它的进一步推广和使用。另外,喷涂法和沉降法制得的导电纤维牢度一般,目前民用的导电纤维生产大都不采用这两种方法。

2.2　碳黑系导电纤维

利用碳黑的导电性能来制造导电纤维,这是一种比较古老而普遍的方法。该方法可分为以下三类:

(1)掺杂法

将碳黑与成纤物质混合后纺丝,碳黑在纤维中成连续相结构,赋予纤维导电性能。这种方法一般采用皮芯复合纺丝法,既不影响纤维原有的物理性能,又使纤维具有了导电性。

(2)涂层法

涂层法是在普通纤维表面涂上碳黑。涂层方法可以采用粘合剂将碳黑粘合在纤维表面,或者直接将纤维表面快速软化、并与碳黑粘合。这种方法的缺点是碳黑容易脱落,手感亦不好,碳黑在纤维表面不易均匀分布。

(3)纤维炭化处理

有些纤维,如聚丙烯腈纤维、纤维素纤维、沥青系纤维等,经炭化处理后,纤维的主链主要为碳原子,从而使纤维具有导电能力。采用较多的方法,还是丙烯腈系纤维的低温炭化处理法。

2.3　导电高分子型纤维

高分子材料通常被认为是绝缘体,而上世纪70年代聚乙炔导电材料的研制成功却打破了这种传统观念。之后,又相继诞生了聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等高分子导电物质,人们对高分子材料导电性能的研究也越来越广泛。

利用导电高聚物制备导电纤维,主要方法有以下两种:

(1)导电高分子材料的直接纺丝法

直接纺丝法一般采用湿法纺丝,如将聚苯胺配成浓溶液,在一定的凝固浴中拉伸纺丝。这里聚苯胺的制备,是苯胺在酸性介质下,用氧化剂(如过硫酸胺)氧化聚合的。采用的溶剂有N -甲基-2-吡咯烷酮(NMP )、LiCl NMP 、N ,N ′-二甲基丙脲(DMPU )或浓H 2SO 4,日本已有这种产品。

聚苯胺的合成机理比较复杂,目前尚不十分明确,且聚苯胺的导电性能与其他物质的掺杂很有关系,如中性的聚苯胺是绝缘体,掺杂质子酸后即能导电,目前这方面的研究仍在进展中。由于聚苯胺纺丝的溶剂都是非常用的有机溶剂,目前已有专门的研究,以解决普通溶剂的可溶性问题,采用的办法有:①质子酸掺杂;②结构修饰;③聚苯胺复合衍生物;④聚苯胺胶体微粒。

(2)后处理法

后处理法主要是在普通纤维表面进行化学反应,使导电性高分子吸附在纤维表面,从而使普通纤维具有导电性能,这里以聚苯胺为例介绍合成方法。如前所述,聚苯胺的聚合机理十分复杂,其导电性与掺杂剂很有关系。杭州蓝孔雀化学纤维股份有限公司王雪亮[2]

曾对表面反应进行了专门的研究,发现当使用掺杂剂不同、介质不同,甚至当使用纤维的品种不同时,得到的结果经常是大相径庭。一般而言,聚苯胺较易沉积在极性纤维的表面,首先为PAN 纤维,其次为PA 纤维;而PET 纤维必须进行预处理,在增强表面极性的基础上才能使聚苯胺沉淀在表面。令人费解的是,纤维素纤维表面无法沉积上聚苯胺。有文献解释为:含氮元素物质的存在有利于聚苯胺的沉积,同时含氮物33《纺织科学研究》

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质也是很好的掺杂剂。这类导电纤维的制备方法,是先将普通纤维在苯胺酸性介质中浸渍,为了使苯胺往纤维内部渗透,可加热或加入纤维的溶胀剂,并加入含铜离子的催化剂;经浸渍后的纤维,再浸入到氧化剂溶液中,纤维表面的苯胺能快速聚合,纤维的颜色立即由褐色变成浅绿色,进而变成墨绿色,导电性能亦以墨绿色纤维为最好。如果苯胺中不加酸性物质,纤维表面经氧化处理后,颜色为褐色或古铜色,导电能力较差,甚至无导电能力。

后处理方法的另一种类似方法是蒸气法。利用苯胺的挥发性,先将纤维或织物在含铜离子溶液中浸泡,然后在苯胺蒸气和浓HCl气氛中放置,纤维表面能吸附上苯胺并发生聚合之后,形成导电层。由于苯胺的蒸气毒性较大,这种方法(相对前面一种方法)的使用前景较差。

目前已有文献报道,用苯胺衍生物代替苯胺,以便将各类纤维或织物,特别是致密结构或极性较小的纤维制成导电纤维。虽然这类导电纤维的手感很好,但其导电能力与环境的影响因素很有关系,且导电能力会随着时间的延长而缓慢衰退,这可能亦与掺杂剂与聚苯胺的分离有关。

2.4　金属化合物型导电纤维

许多金属化合物都具有很好的导电性能,利用它们来生产导电纤维目前已成为一种时尚。这些金属化合物一般都含有铜、银、镍和铬的硫化物或碘化物,而使用最多的是铜的硫化物和碘化物。硫化铜、硫化亚铜和碘化亚铜都是很好的导电性物质,利用这类导电化合物制备导电纤维时,共有三种方法。

(1)混合纺丝法

这种方法与前述的碳黑方法一样,是将导电性物质与成纤高聚物混合,再纺丝成皮芯层结构。这种方法适合用于加工各类合成纤维,如可将CuI、表面涂有TiO2的SnO2等导电性物质,与改性PE T混合作为“芯层纺丝”。

(2)吸附法

这里的吸附法有两种机理,一种是常规吸附,与前述的碳黑吸附类似,可以通过粘合剂将导电化合物与纤维表面粘合。纤维可以是强极性的,也可以是弱极性的,或是致密结构的,如PE T。另一种是通过金属离子与纤维络合吸附,特别是含氮的纤维,如PAN。被吸附的化合物有CuS、CuI 等,具体处理方法有高温煮染法,如将含氮的纤维在高压、110℃蒸气处理后,再涂上CuS,得到的纤维体积比电阻达到1×101Ψ·cm;或者将纤维直接在CuS溶液中高温高压共煮,由于CuS在水中的溶解度很低,必须加入纤维的溶胀剂、掺杂剂,这样就能得到导电性能较好的导电纤维。由于导电性物质与纤维之间以络合形式结合,故导电层的牢度较好。

(3)化学反应法

这种方法主要通过化学处理,即通过反应液的浸渍,在纤维表面产生吸附,然后通过化学反应使金属化合物覆盖在纤维表面。在目前的文献中,这种方法使用的较多。在20世纪80年代,日本就研制成这类导电纤维。有人还专门对导电成分及导电机理进行了研究,如日本研制的Cu9S5导电腈纶,是先将腈纶在含铜离子溶液中处理,然后在还原剂中处理,纤维上的Cu2+变成Cu+与—C N 络合,进一步形成Cu9S5的导电性物质,体积比电阻达到8.2×10-1Ψ·cm。由于这些导电物质在纤维结构上形成了网络,故导电性能很好。

PAN纤维上的—C N基能与Cu+产生络合,使纤维具有导电性;而对于无—CN基的其他纤维,导电物质就无法与纤维发生络合,因此影响了纤维对金属化合物的吸附和吸附牢度,故无法制得导电性能优良的纤维。目前已有文献报道,用PET、PA制得的导电纤维,其比电阻也能达到PAN导电纤维的水平,其关键是提高铜的硫化物在纤维表面上的吸附。