智能导电纤维的研究与开发进展(精)

智能导电纤维的研究与开发进展

0 前言

目前,对高度刺激能产生智能响应的纤维及其制品的研究和开发已引起人们极大的关注。智能纤维就是能够感知所处环境的变化(如机械、热、化学、光、温度、电磁等),并随之做出敏锐响应(发生突越性变化)的纤维。合成纤维是高分子材料，一般都具有优越的电绝缘性能。但电绝缘性能越高，电阻就越大，越容易产生很高的静电。而静电高了一有机会就会放电，静电放电在特定场合又会引起爆炸和火灾，还会引起电击灾难。因此，纤维制品在某些应用方面就有必要采用抗静电纤维来消除静电电荷。但随着使用领域的推广和扩大，各种应用环境又对纤维的抗静电性能提出了更高的要求，于是又出现了导电纤维。导电纤维不仅可以用来消除静电、吸收电磁波,而且由于电信号的探测和传输是探测技术中很重要的一个方面,因此,导电纤维在服装、医用、能源等领域都取得了非常成功和广泛的应用。

1 导电纤维的研究和发展现状

自20世纪70年代开始,人们就在不断地研发导电纤维,随着研究的不断深入,不同类型的导电纤维被逐步开发,在各领域里起着重要的作用。

1.1 金属纤维

最早问世的导电纤维是美国Brunswick公司所生产的不锈钢纤维Brunsmet,它是不锈钢丝反复穿过模具精细拉伸制成的纤维[2]。后来有人将金属粉末混入成纤聚合物切片中再进一步纺成导电纤维,也有人采用将金属粉末沉积在多孔纤维表面的孔穴中的方法制取导电纤维[3]。但这两种方法都有明显的不足之处,如将金属粉末混入成纤聚合物切片中,纺丝时常会发生喷丝孔堵塞的现象;若采用在多孔纤维表面孔穴中沉积金属粉末的方法,则需事先纺制特种纤维,这些给工业生

产带来了困难且对纤维的性能有所损伤。

1.2 炭黑纤维及金属化合物导电纤维

经过进一步研究人们又提出将含导电成分的高聚物与成纤聚合物一起复合纺丝来制备复合型导电纤维,所用的导电成分为炭黑或金属化合物微粒。1974年,美国Dupont公司开发了以含炭黑的聚乙烯为芯,尼龙66为鞘的导电复合纤维———尼龙BCF[4]。1989年,押田正博等又采用含CuI2微粒的聚乙烯为芯,聚酯为鞘,制得导电涤纶[5]。炭黑导电纤维及金属化合物导电纤维的导电性耐久性较好,且导电性与湿度几乎无关。

1.3 导电聚合物纤维

1977年,美国宾夕法尼亚大学的Mac Diarmid教授等人发现了导电聚乙炔,引起了人们极大的关注,从而开创了结构型导电聚合物发展的新局面。近二十年来,研究导电纤维的重点转移到了导电高分子材料,主要是结构型导电聚合物。所谓结构型导电聚合物即指不需要加入其他导电性物质而依靠本身结构即具导电性的聚合物。以导电高分子材料为导电剂有其独特的优点:导电聚合物与普通线性聚合物一样,纺丝拉伸过程中会产生取向,这种导电的各向异性,提高了纤维轴向的导电性能[6]。直接利用结构型导电聚合物制备导电纤维是制备导电纤维的一种新方法,纤维完全由导电高聚物组成,无需加入其他材料即可导电但是这种完全由导电聚合物制造出来的导电纤维难以适合很多纺织材料应用的要求,其使用价值很有限。且由于导电高分子材料本身刚度

大、难溶、难熔、成型困难,因此制备导电聚合物纤维较困难[7]。

1.4 导电聚合物涂层纤维

人们利用掺杂导电聚合物电阻率大为降低的特点,将导电聚合物作为导电层覆盖在高聚物纤维的表面,从而使其具有导电性。例如,White等人[8]采用电化学的方法在某种高聚物纤维的表面形成导电有机聚合物———聚苯胺的涂层,从而改善纤维的导电性。这种方法简便易行,但遗憾的是:这种表面涂层只是覆盖在基质纤维表面,并不能均匀分布在整根纤维的截面上。1989年,美国

R.V.Gregory[9]以锦纶或涤纶为基质,采用“现场”吸附聚合法,使苯胺在基质纤维表面发生氧化聚合反应,聚苯胺均匀地沉积在基质纤维表面,并能有效渗入纤维内部,使纤维导电性能持久良好。“现场”聚合法制备导电纤维既可赋予纤维耐久的导电性,又可较好地保持基体纤维的物理机械性能,是目前制备导电纤维常用的一种方法。

1.5 导电玻璃纤维

导电玻璃纤维是玻璃镀金属技术和玻璃纤维表面处理技术相结合而开发出来的产品。它在纤维表面镀上镍合金,其上面包敷导电性能良好的金属,在最外层有耐腐蚀性能好的金属材料保护膜。它主要有导电性能好、比重小等特点,在集成电路和电磁设备上有广泛的应用。日本将导电玻璃纤维用于隐身材料的研究已经取得成功[9]。研究人员研究出一种高频高效吸波涂料,它具有由电阻抗变换层和低阻抗谐振

层组成的两层结构,其中谐振层是由铁氧体、导电短纤维与树脂组成的复合材料。该纤维可吸收1GHz~20 GHz的雷达波,吸收带宽达50%,吸收率达20 dB 以上。美国B-2隐身轰炸机机身表面也采用了含有导电玻璃纤维的混杂复合材料。

2 导电纤维的性能

导电纤维是以电子导电为机理的功能纤维。其导电是利用导电体的静电诱导、电晕放电、泄漏等作用的综合效果而产生的。由于纤维内部含有自由电子因此无湿度依赖性，即使在低湿度条件下也不会改变导电性能。在纤维中混入0.55%—5%的导电纤维就可解决织物的带静电问题。此外导电纤维的电荷半衰期很短在任何情况下都能在极短的时间内消除静电。表1列出不同方法制得的导电纤维的性能。

3 导电纤维的发展现状及应用前景

导电纤维——金属纤维、碳纤维、导电成分覆盖型纤维、导电成分复合（或混合型）纤维，由于导电性能优越且耐洗涤、耐摩擦等性能，所以广泛应用于纺织品、通用工程、耐热工程塑料、汽车制造、运动器材、航空及宇航等方面。

3.1导电纤维用于抗静电产品

随着高科技的发展，静电障害所造成的后果已不仅仅限于安全问题。静电放电造成的频谱干扰危害是在电子通信、航空航天以及一切应用现代电子设备仪器的场合导致设备运转故障信号丢失误码的直接原因之一。在石油化工精密机械煤矿食品医药等行业均对静电的防护有特殊的要求。

3.2导电纤维用于电磁波屏蔽和吸附材料

日本用表面敷铜的导电纤维桑达纶SS-N混纺或做成非织造布现已大量用于抗静电及电磁波屏蔽和吸收材料如作轮船的电磁波吸收罩等可防止雷达信号