有机导电纤维的性能特点及其发展

有机导电纤维的性能特点及其发展

高广艳　安树林

(天津工业大学材料科学与化学工程学院,天津　300160)

[摘　要]　本文论述了有机导电纤维的结构、性能、现状及发展。

[关键词]　有机导电纤维;复合纤维;共混改性纤维

众所周知,合成纤维具有天然纤维所没有的高强度、耐磨等优点,被广泛应用于各个领域。但由于合成纤维属于电介质范畴,其电阻很大,导电率很小,因此很容易积聚静电。这些积聚的静电不仅使纺织品的加工难以顺利进行,而且给人们的生活带来诸多不便。为此对导电纤维的研究已成为人们关注的热点。

导电纤维通常是指在标准状态下(20℃, 65%相对湿度)比电阻在102～1088.c m的纤维。比电阻在109～10128.c m的纤维一般作为抗静电性能。这些纤维基本上属于电子导电为机理的功能纤维,可以通过电子传导和电晕放电而消除静电。在近年开发研究的导电纤维中,有机导电纤维因其具有优良的物理—机械性能、纺织加工性能,且染色性优良,导电性不受环境温湿度影响等优点,最受人们的青睐。

1　有机导电纤维的制法分类

有机导电纤维的制造方法主要有三种类型,即导电物质涂层型、导电高分子直接纺丝型和导电物质与高聚物共混或复合纺丝型”[1],其中以复合型导电纤维的综合性能指标最好。

1.1　导电物质涂层型纤维

镀金属、碳等导电物质的涂层型有机导电纤维的导电物质暴漏在纤维的外层,因此导电效果好。但是这类纤维具有耐磨和耐洗涤性差,且不耐弯折,使用一段时间后导电粒子容易脱落等缺陷,影响了纤维的使用性能。

1.2　导电高聚物纤维

用聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等导电高聚物可以直接纺丝制成有机导电纤维。但由于这些高分子主链中的共轭结构使分子链僵直,难于溶解和熔融,纺丝成形和后加工都比较困难。另外,其中有些高分子中的氧原子容易与水发生反应、有些高分子单体毒性较大。这些大大增加了合成工艺和成形加工的生产成本。但目前利用参杂、吸附或湿法纺丝等方法已使其中的一些导电高分子取得了成功。

1.3　共混或复合纺丝型纤维

采用碳黑、金属氧化物等导电物质与普通高聚物进行共混纺丝或复合纺丝,可以制成性能优异的有机导电纤维。

2　复合型导电纤维

复合型导电纤维是导电纤维中的佼佼者,应用最为广泛。它是将含有导电粒子的聚合物作为一种成分,将不含有导电粒子的同种聚合物或另一种聚合物为第二成分,采用复合纺丝而成。纤维中导电粒子沿纤维轴向均匀分布,使电荷易于散逸[2],因此导电性优

良。含碳的复合型导电纤维的体积比电阻一般为102～1048.c m ,含金属氧化物的复合型导电纤维的体积比电阻一般为104～1088.c m

[3]

。复合型导电纤维具有适当的细度、长度、强度和柔曲性,与其他普通纤维易于抱合,容易进行混纺或交织。另外,还具有良好的耐摩擦、耐屈曲、耐氧化及耐腐蚀能力,能耐受纺织加工和使用中的物理机械作用,不影响织物的手感和外观,具有优良且持久的导电性。因此这种纤维广泛地适用于工业生产和服装、服饰上。

根据复合纺丝时两组分复合方式的不同,其截面形态可有以下几种:导电组分与基体聚合物同心圆型、导电组分部分外漏型、导电组分内藏异型、多芯型、海岛型等,见表1。为了提高纤维的导电率和导电纤维的手感,还可以设计出各种不同截面形状的导电纤维,如三角型、豌豆型等。由于导电组分的分布不同,所以复合型有机导电纤维的导电能

力也是不同的。一般情况下,导电组分外漏或部分外漏型的复合型导电纤维导电能力高,起始放电电压较低;而导电组分内藏型或海岛型,因其导电组分在纤维内部,不直接与外界接触,而外层又是绝缘的聚合物,所以其导电能力有所下降,起始放电电压也高些[4]。在纺制过程中,导电组分外漏型的复合型有机导电纤维纺丝困难,且要求导电组分与高聚物有良好的粘和度,否则织物在使用过程中两组分容易分离[5],而导电组分在纤维内部的内藏型或海岛型复合导电纤维则具有优良的可纺性和耐磨、耐弯折性,导电成分不易脱落,且易于染色,但其导电性能相对较低,所以适合用于对导电要求较低的场合。导电成分部分外漏型的使用性能界于两者之间。因此我们在使用时既要考虑到其导电性又要考虑到其服用性。表2列出了几种国外已工业化生产的复合型导电纤维的性能和导电物质的分布形式。

表1

　两组分在截面上有不同分布的几种复合型导电纤维

表2

　几种国外有机导电纤维的截面形态及性能

3　有机导电纤维的现状及展望

3.1　有机导电纤维的现状

有机导电纤维产生于20世纪60年代末。最早问世的是由日本帝人公司首先开发并工业化生产的表面涂有碳黑的有机导电纤维。而后在1974年,美国杜邦公司采用复合纺丝技术制成含有碳黑导电芯的复合导电纤维[6],使导电纤维在使用性能上迈出了历史性的一步。目前,复合型有机导电纤维已规模化生产,尤其以聚酯为基体的导电纤维的纺丝技术已基本成熟[7][8],对有机导电纤维的研究主要是低电阻率和功能化的有机导电纤维。2002年日本U n itika公司开发的新型聚酯高导电纤维M eganaE5[9],是一种含碳双组分长丝。其电阻率为8×1058.c m,导电率比常规导电纤维高2个数量级。该纤维于2003年1月已投放市场。该纤维截面有呈三叶状排列的碳粒子。这样,即使在低于1%的共混率下也能获得抗静电性能。日本Tokkyo公司通过在大分子链上接枝共聚的方法研制成具有防臭功能的有机导电纤维[10]。法国R—Stat公司也开发出一种多功能的有机导电纤维[11],它是由尼龙或聚酯为基体,用硫化铜做涂层,该纤维的导电率可达102～1058.c m,而且铜还能抑制细菌生长,具有抗菌作用。此外,由于特殊的电学和光学性能的要求,近几年对导电高聚物特别是对聚苯胺的研究成为热门课题。利用聚苯胺丌电子的线形或平面形构型,将其吸附到纤维上或采用湿法纺丝与成纤高聚物混纺,吸附了聚苯胺的纤维对电磁波的屏蔽可达101GH z[12];用聚苯胺和聚酰胺混纺成的有机导电纤维也具有较高的电磁屏蔽频率。

国内有机导电纤维的研究虽然落后于国外,但进步很快。江苏省纺织研究所研究的电晕放电型可染性导电纤维已获得成功,它是采用导电碳黑及金属氧化物制成导电母粒为芯组份,添加成孔剂及光屏剂的聚酯为皮组份,经过复合纺丝制成可染性导电纤维。中国纺织科学研究院研制成了以碳黑为导电成分以涤纶为基体的有机导电纤维,其电阻可达10[7]8.c m,目前国内已小规模生产。还有很多科研院所正在研究开发有自己知识产权的各种有机导电纤维。

3.2　有机导电纤维的展望