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      導(dǎo)電纖維的發(fā)展與應(yīng)用

      2016-11-02 19:02:12鄭少明賴祥輝林本術(shù)
      中國纖檢 2016年9期
      關(guān)鍵詞:導(dǎo)電性性能應(yīng)用

      鄭少明+賴祥輝+林本術(shù)

      摘要 導(dǎo)電纖維的現(xiàn)有種類有金屬導(dǎo)電纖維、碳素導(dǎo)電纖維和有機導(dǎo)電纖維,導(dǎo)電纖維以其優(yōu)良的導(dǎo)電性能被廣泛地應(yīng)用于抗靜電、防輻射、傳感器及軍工等領(lǐng)域。介紹了各類導(dǎo)電纖維的性能以及導(dǎo)電纖維在紡織品中的應(yīng)用和市場前景。

      關(guān)鍵詞:導(dǎo)電纖維;導(dǎo)電性;性能;應(yīng)用

      導(dǎo)電纖維是一種通過電子傳導(dǎo)和電暈放電而消除靜電的功能性纖維,通常是指在標準狀態(tài)(20℃、65%相對濕度)下,比電阻在107Ω·cm以下的纖維[1]。導(dǎo)電纖維的現(xiàn)有種類主要有:金屬導(dǎo)電纖維、碳素導(dǎo)電纖維和有機導(dǎo)電纖維。

      1 導(dǎo)電纖維的分類

      1.1 金屬導(dǎo)電纖維

      最早出現(xiàn)的金屬導(dǎo)電纖維是由美國Brunswick公司生產(chǎn)的不銹鋼纖維Brunsmet,這種纖維是通過對不銹鋼絲反復(fù)穿過模具精細拉伸而制成的[2]。金屬導(dǎo)電纖維主要是利用金屬優(yōu)良的導(dǎo)電性能,使用的金屬主要有不銹鋼、銅和鋁等[3]。金屬導(dǎo)電纖維是導(dǎo)電性能最好的導(dǎo)電纖維,導(dǎo)電性能接近純金屬,電阻率達到10-4Ω·cm ~10-5Ω·cm,而且耐化學(xué)腐蝕,還具有防輻射、強度高、彈性模量高等優(yōu)點,但金屬導(dǎo)電纖維的手感較差,抱合困難,纖維的混紡不能均勻化,限制了其進一步推廣使用[4]。

      1.2 碳素導(dǎo)電纖維

      在21世紀被譽為“黑色黃金”的碳纖維最早是1959年由日本人采用聚丙烯腈(PAD)纖維經(jīng)高溫炭化處理制得,現(xiàn)在根據(jù)原絲類型可分為粘膠基、PAN基和瀝青基[5]。碳素導(dǎo)電纖維的電阻率在10-3 g/cm3~10-4Ω·cm,導(dǎo)電性能優(yōu)良,且密度?。?.5 g/cm3~1.8g/cm3)、直徑細(5μm ~7μm)、長徑比大,具有高強度、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點,但纖維的模量高、缺乏韌性、不耐折彎、無熱收縮能力,不適于紡織品使用[6]。

      1.3 有機導(dǎo)電纖維

      1.3.1 導(dǎo)電高分子直接紡絲制成的有機導(dǎo)電纖維

      高分子材料通常被認為是絕緣體,但1977年美國科學(xué)家A. F. Heeger發(fā)現(xiàn)聚乙炔經(jīng)摻雜后具有明顯的導(dǎo)電能力,隨之又相繼誕生了聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等高分子導(dǎo)電物質(zhì) [7]。目前加碘聚乙炔的導(dǎo)電能力已達到室溫下金屬銅的水平(10-4Ω·cm)。

      使用導(dǎo)電高分子直接紡絲制成的有機導(dǎo)電纖維目前還比較難以應(yīng)用于紡織生產(chǎn),其原因在于聚合物主鏈中的共軛結(jié)構(gòu)使分子鏈僵直,不溶、不熔,難以紡絲加工;某些導(dǎo)電聚合物中的氧原子對水極不穩(wěn)定;某些導(dǎo)電聚合物的單體有毒且被懷疑是致癌物質(zhì),某些摻雜劑多有毒性;復(fù)雜的合成工藝也使其制造成本昂貴[8]。

      1.3.2 普通合成纖維涂覆導(dǎo)電物質(zhì)制成的有機導(dǎo)電纖維

      20世紀60年代末期,日本帝人公司、德國BASF公司等率先開發(fā)出了普通合成纖維表面涂覆碳黑的有機導(dǎo)電纖維。此后,出現(xiàn)了很多以普通合成纖維為基體,通過物理、機械、化學(xué)等途徑在纖維表面涂覆金屬、碳、導(dǎo)電高分子等導(dǎo)電物質(zhì)的方法,常見的方法有化學(xué)電鍍法、真空蒸發(fā)吸附法、縫隙式機械涂敷法、嵌碳法、滲入法、絡(luò)合法和吸附法[4, 9]。這類導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電成分都附著在纖維表面,放電效果良好,但是在反復(fù)摩擦和洗滌之后,附著在纖維表面的導(dǎo)電物質(zhì)容易剝落,會降低纖維的導(dǎo)電性能。

      1.3.3 導(dǎo)電物質(zhì)與普通高聚物復(fù)合紡絲制成的有機導(dǎo)電纖維

      1974年美國DuPont公司率先開發(fā)了以含有碳黑的PE為芯、PA66為鞘的皮芯復(fù)合導(dǎo)電纖維AntronⅢ,此后各大化纖公司紛紛開始研究和開發(fā)含有碳黑的復(fù)合導(dǎo)電纖維。但碳黑復(fù)合導(dǎo)電纖維通常呈灰黑色,限制了其應(yīng)用范圍,20世紀80年代開始了導(dǎo)電纖維的白色化研究,以粒徑約1μm的銅、銀、鎳、鎘等金屬硫化物、碘化物或氧化物為導(dǎo)電物質(zhì),復(fù)合紡絲制得適合各種染色要求的白色導(dǎo)電纖維[10]。

      復(fù)合紡絲法制得的有機導(dǎo)電纖維中導(dǎo)電物質(zhì)沿纖維軸向連續(xù),易于電荷逸散。復(fù)合結(jié)構(gòu)常見的有皮芯結(jié)構(gòu)、單點或多點內(nèi)切圓結(jié)構(gòu)、三明治夾心結(jié)構(gòu)和共混結(jié)構(gòu)等。碳黑復(fù)合導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電能力及持久性較好,電阻率為10Ω·cm ~102Ω·cm,適宜于中等抗靜電要求的紡織品。金屬化合物復(fù)合導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電性能相對較差,電阻率為 103Ω·cm ~104Ω·cm,適合于淺色民用紡織品[11]。復(fù)合型有機導(dǎo)電纖維具有良好的耐摩擦、耐屈曲、耐氧化及耐腐蝕能力,與其他纖維容易抱合,易于混紡或交織,具有優(yōu)良且持久的導(dǎo)電性。因此這種纖維廣泛地適用于工業(yè)生產(chǎn)和服裝、服飾上[11]。

      2 導(dǎo)電纖維的應(yīng)用

      由于導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電性能主要基于自由電荷的移動,不依靠吸濕和離子的轉(zhuǎn)移,所以導(dǎo)電纖維不受環(huán)境濕度影響,在相對濕度為30%或更低的環(huán)境下仍能表現(xiàn)出優(yōu)良的導(dǎo)電性能[3]。其紡織產(chǎn)品主要有抗靜電和防輻射功能,在電子產(chǎn)業(yè)、航空航天、電視廣播、信息產(chǎn)業(yè)、電力、電信、醫(yī)藥及精密儀器等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。

      2.1 抗靜電紡織品

      合成纖維在使用過程產(chǎn)生的靜電會對人民的生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來危害。隨著科技的發(fā)展,紡織品在使用過程中產(chǎn)生的靜電還會造成電子儀器的運轉(zhuǎn)故障,在集成電路的研究和生產(chǎn)過程中,由于操作人員服裝上帶有靜電而粘上的塵埃會造成集成電路短路、元件擊穿,大大降低集成電路的制成率。

      采用在普通織物中織入導(dǎo)電纖維可以使織物上積蓄的電荷快速釋放,有效防止靜電局部積蓄。常見的抗靜電紡織品有無塵服、無菌服。

      2.2 防輻射紡織品

      當電磁波輻射到含有導(dǎo)電纖維的織物表面時,導(dǎo)電纖維作為導(dǎo)電介質(zhì)能將電磁波轉(zhuǎn)化或傳遞出去,實現(xiàn)防輻射目的。利用這一特性,可以將含有導(dǎo)電纖維的織物用作精密儀器、航空航天的電磁波屏蔽材料,還可以用于經(jīng)常接觸電磁輻射的雷達、醫(yī)療等工作人員的防輻射工作服。

      2.3 傳感器紡織品

      使用導(dǎo)電纖維根據(jù)電子傳感器的原理可制成傳感器紡織品,具有輕便、易攜帶等優(yōu)點,在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。傳感器紡織品可用于溫度、壓力、電磁輻射、化學(xué)物質(zhì)種類和濃度等的檢測,使用傳感器紡織品可制成集成通信、娛樂、使用者監(jiān)測等功能的智能服裝。

      3 結(jié)語

      導(dǎo)電纖維作為一種重要的功能材料,隨著導(dǎo)電纖維與其他相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的結(jié)合越來越緊密,導(dǎo)電纖維的應(yīng)用將會得到進一步的推廣。相信隨著科技的進步,利用導(dǎo)電纖維將持續(xù)開發(fā)出具有各種功能的智能紡織品。這些智能紡織品將不再僅僅是被動地接受信號,而是能夠主動感知外界環(huán)境的變化進而調(diào)節(jié)自身以適應(yīng)環(huán)境變化。導(dǎo)電纖維作為智能紡織品的重要組成部分,將具有非常廣闊的市場前景。

      參考文獻:

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      [3] 張世國, 王進美. 導(dǎo)電纖維的加工方法及其應(yīng)用[J]. 紡織科技進展,2009(1): 32-34.

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      [5] 黎小平, 張小平, 王紅偉. 碳纖維的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 高科技纖維與應(yīng)用,2005, 30 (5): 24-30.

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      [8] 高廣艷,安樹林.有機導(dǎo)電纖維的性能特點及其發(fā)展[J].天津紡織科技,2005 (2): 29-33.

      [9] 蔡明德,施楣梧.有機導(dǎo)電纖維的結(jié)構(gòu)性能研究和防靜電織物的研制[J].紡織信息周刊,2001 (19):13.

      [10] 施楣梧, 南燕. 有機導(dǎo)電纖維的結(jié)構(gòu)和性能研究[J]. 毛紡科技,2001(1): 5-8.

      [11] 施楣梧.紡織材料抗靜電技術(shù)的回顧和展望[J].中國個體防護裝備,2001(3): 12-15.

      (作者單位:福建省纖維檢驗局,福建省紡織產(chǎn)品檢測技術(shù)重點實驗室)

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