影響鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能的因素分析

謝 勇，杜 磊，張嘉楠，葉曉露，鄒奉元

(浙江理工大學(xué)服裝學(xué)院，杭州310018)

在應(yīng)用導(dǎo)電纖維制作抗靜電、防輻射類功能服裝時(shí)，使用的導(dǎo)電纖維或紗線的導(dǎo)電性能對(duì)服裝的功能性有很大的影響，即導(dǎo)電纖維電阻率越小，電荷越容易流通，靜電電荷也就越容易泄漏。P.XUE等[1]通過研究拉伸、溫度、濕度與PPy導(dǎo)電涂層纖維導(dǎo)電性能之間的關(guān)系，建立了拉伸、溫度、濕度與PPy涂層纖維導(dǎo)電性能之間的理論模型;Wenmin Qu等[2]研究了溫度、濕度與鉑金薄膜導(dǎo)電性之間的關(guān)系，制作的鉑金傳感器具有優(yōu)異的傳感性能。鍍銀纖維作為表面金屬化導(dǎo)電纖維的一種，由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性能近年來在功能服裝上得到了廣泛的應(yīng)用。因此，本文主要研究鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能的影響因素，包括溫度、濕度、股數(shù)、捻度、氧化時(shí)間和摩擦次數(shù)，為后續(xù)嵌織鍍銀纖維長(zhǎng)絲抗靜電織物的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及儀器

材料:錦綸基鍍銀纖維長(zhǎng)絲(青島亨通偉業(yè)科技有限公司)。

儀器:YG751B型電腦式恒溫恒濕箱(寧波紡織儀器廠)，F(xiàn)luke289萬用電表(福祿克測(cè)試儀器(上海)有限公司)，Y(B)331D半自動(dòng)紗線加捻儀(溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)，JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(日本JEOL公司)，BS224J電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)。

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能

將不同單位長(zhǎng)度的鍍銀纖維長(zhǎng)絲順直固定在絕緣板上，用絕緣膠帶粘貼長(zhǎng)絲兩端，在溫度(22±2)℃、相對(duì)濕度為(65±5)%條件下調(diào)濕24 h后，用Fluke289萬用電表測(cè)試其電阻，測(cè)試結(jié)果為10次的平均值。

1.2.2 溫度、濕度對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性能影響

將上述所制的試樣置于恒溫恒濕箱內(nèi)，調(diào)節(jié)恒溫恒濕箱內(nèi)的溫度與濕度:相對(duì)濕度為65%情況下，設(shè)置溫度0～50℃來研究溫度變化對(duì)其導(dǎo)電性能的影響;設(shè)置溫度為22℃，濕度20%～80%時(shí)來研究濕度對(duì)導(dǎo)電性能的影響，待平衡后，利用Fluke289萬用電表測(cè)試鍍銀纖維長(zhǎng)絲的電阻，測(cè)試結(jié)果為10次的平均值。

1.2.3 加捻、并股對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性能的影響

利用Y(B)331D半自動(dòng)紗線加捻儀，對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲進(jìn)行加捻，取樣固定于絕緣板上，用Fluke289萬用電表測(cè)試鍍銀纖維長(zhǎng)絲的電阻，測(cè)試條件為溫度(22±2)℃，相對(duì)濕度為(65±5)%，測(cè)試結(jié)果為10次的平均值。

1.2.3 鍍銀纖維長(zhǎng)絲的耐久性

利用Y151紗線耐磨性能測(cè)定儀對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲摩擦50、100、200、300、500、1000 次，測(cè)量經(jīng)摩擦后鍍銀纖維長(zhǎng)絲的電阻變化。測(cè)試條件為溫度(22±2)℃，相對(duì)濕度為(65±5)%，測(cè)試結(jié)果為10次的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍銀纖維長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性能

線性導(dǎo)體其電阻與導(dǎo)體長(zhǎng)度的關(guān)系為:

式中:ρ為導(dǎo)體的電阻率，L為導(dǎo)體的長(zhǎng)度，S為導(dǎo)體的橫截面積。

即線性導(dǎo)體的電阻與其長(zhǎng)度成正比，圖1利用Origin 8.0對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到公式y(tǒng)=4.654 2 x，R2=0.996 8，利用掃描電鏡觀察鍍銀纖維長(zhǎng)絲，結(jié)果見圖2。

圖1 鍍銀纖維長(zhǎng)絲長(zhǎng)度與電阻的關(guān)系Fig.1 The resistance per unit length ofsilver-plated filament

圖2 鍍銀纖維長(zhǎng)絲單紗SEM照Fig.2 The SEM photograph ofsilver-plated filament

鍍銀纖維長(zhǎng)絲單纖維的直徑為21.5μm，利用式(2)計(jì)算鍍銀纖維長(zhǎng)絲的截面積S:

式中:S為鍍銀纖維長(zhǎng)絲橫截面積，m2;K為鍍銀纖維長(zhǎng)絲中單紗的數(shù)目，根;D為鍍銀纖維長(zhǎng)絲單紗的直徑，m。

經(jīng)計(jì)算，銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41.752%的鍍銀纖維長(zhǎng)絲其電阻率為4.0574×10－4Ω/cm，不銹鋼和碳素纖維的比電阻約為10－5～10－2Ω/cm，纖維表面包覆型和成分復(fù)合型導(dǎo)電纖維的比電阻約為102～105Ω/cm。由此可見，錦綸表面鍍銀后其比電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面包覆型及復(fù)合型導(dǎo)電纖維，具有較好的導(dǎo)電性能。

2.2 溫度、濕度對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能的影響

溫度會(huì)影響到鍍銀纖維長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性能。一般來講，純金屬的電阻隨溫度的升高其阻值增大，溫度升高1℃其電阻值要增大千分之幾，碳和絕緣體的電阻隨溫度的升高而減小，半導(dǎo)體電阻值與溫度的關(guān)系很大，溫度稍有增加電阻值減小很大。圖3是溫度對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲的電阻響應(yīng)關(guān)系，對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲而言，隨著環(huán)境溫度的上升(0～50℃)，鍍銀纖維長(zhǎng)絲的電阻呈指數(shù)下降，利用Origin 8.0對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到擬合方程 y=4.65exp(x/15.25)，R2=0.996 4，電阻的變化值約為4 Ω。

圖3 溫度對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能的影響Fig.3 Effect of temperature on the conductive properties ofsilver-plated filament

這種現(xiàn)象的出現(xiàn)有兩種原因:一方面，與鍍銀纖維長(zhǎng)絲的構(gòu)成有關(guān)系，鍍銀纖維長(zhǎng)絲基體為錦綸，屬于絕緣體的范圍疇，其電阻隨著溫度的升高而減小，且鍍銀纖維長(zhǎng)絲中銀含量小于錦綸的含量。因此，隨著溫度的升高，鍍銀纖維長(zhǎng)絲的電阻會(huì)相應(yīng)地減小。另一方面，與鍍銀纖維長(zhǎng)絲表面少量的銀被氧化有關(guān)系。因?yàn)榻饘巽y在空氣中往往會(huì)與空氣中的硫化物進(jìn)行反應(yīng)生成Ag2S，而Ag2S有負(fù)溫度系數(shù)的特性，是一種具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏材料，即隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小[3]。

濕度對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲電阻的影響如圖4所示。利用Origin 8.0對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，得到擬合方程為 y=0.164x+16.44，R2=0.961 1?？梢钥吹?，鍍銀纖維長(zhǎng)絲的電阻隨著濕度的不斷增加而呈線性增大，但是增幅緩慢，所以擬合出鍍銀纖維長(zhǎng)絲電阻隨著濕度變化的一次函數(shù)曲線斜率很小(0.163 74)。一般而言，纖維的吸濕性越強(qiáng)，其電阻越小，纖維的吸濕性差，其電阻也就越大[4]。而在該實(shí)驗(yàn)中，鍍銀纖維長(zhǎng)絲的電阻隨著相對(duì)濕度的增大其電阻反而變大。這與本實(shí)驗(yàn)中使用的恒溫恒濕箱內(nèi)的去離子水，即去除呈離子形式雜質(zhì)后的純水有關(guān)系。去離子水由于去除掉了水中的離子而使得電阻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平時(shí)使用的水，當(dāng)濕度增大時(shí)，鍍銀纖維長(zhǎng)絲表面會(huì)覆蓋一層水膜，且水膜的連續(xù)程度隨著相對(duì)濕度的增大而變大[5]。因此，鍍銀纖維長(zhǎng)絲的電阻會(huì)變大，其導(dǎo)電性能變差。

圖4 相對(duì)濕度對(duì)鍍銀長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能的影響Fig.4 Effect of relative humidity on the conductive properties ofsilver-plated filament

2.3 加捻、并股對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性能的影響

對(duì)于金屬導(dǎo)體來講，纖維體的扭轉(zhuǎn)形變都會(huì)使導(dǎo)體本身的電阻增大。金屬經(jīng)過塑性形變使電阻變大的原因是由于形變使點(diǎn)陣產(chǎn)生缺陷和畸變，導(dǎo)致電子波的散射增強(qiáng)。紡織加工過程中的加捻是一種塑性形變的手段，加捻使得纖維間產(chǎn)生正壓力，而形成切向的摩擦阻力，同時(shí)，加捻使纖維產(chǎn)生張力。因此，對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲進(jìn)行加捻，鍍銀纖維長(zhǎng)絲內(nèi)的單紗由于相互擠壓、摩擦的原因，勢(shì)必會(huì)影響到鍍銀纖維長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性能。本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同捻度的鍍銀纖維長(zhǎng)絲的電阻進(jìn)行研究，鍍銀纖維長(zhǎng)絲隨著捻度的增大其電阻也在不斷地增大，而且變化趨勢(shì)越來越大，當(dāng)鍍銀纖維長(zhǎng)絲捻度到250捻/10cm時(shí)，其電阻迅速增大直至斷裂，結(jié)果見圖5。

圖5 捻度對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能的影響Fig.5 Effect of twist effects on the conductive properties ofsilver-plated filament

將鍍銀纖維長(zhǎng)絲并股，利用導(dǎo)體理論，可看做將導(dǎo)體進(jìn)行并聯(lián)，并股后的鍍銀纖維長(zhǎng)絲集合體也就類似于若干根電阻的并聯(lián)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推測(cè)模型一致。鍍銀纖維長(zhǎng)絲的電阻隨著并股數(shù)的增加而呈倒函數(shù)下降，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到擬合方程 y=25.686x－0.8696，R2=0.994 4，結(jié)果見圖 6。

圖6 股數(shù)與鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能的關(guān)系Fig.6 Effect of Strand numbers on the conductive properties ofsilver-plated filament

2.4 鍍銀纖維長(zhǎng)絲的耐久性

銀是一種不穩(wěn)定的金屬，會(huì)因?yàn)橥饨缫蛩刈凕S變黑，使含有鍍銀纖維長(zhǎng)絲織物的美觀與色澤嚴(yán)重?fù)p害。因此將鍍銀纖維長(zhǎng)絲靜置于空氣中進(jìn)行氧化，每隔1周選樣進(jìn)行測(cè)試，其電阻的變化見圖7。

圖7 氧化與鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能的關(guān)系Fig.7 Effect of oxidation on the conductive properties ofsilver-plated filament

為了分析使鍍銀纖維長(zhǎng)絲外觀色澤變化的原因，選樣對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲進(jìn)行了EDS測(cè)試，結(jié)果見圖8。從EDS圖可以知道，被氧化的鍍銀纖維長(zhǎng)絲相比較未被氧化的鍍銀纖維長(zhǎng)絲還含有大量的S元素，這是由于鍍銀纖維長(zhǎng)絲靜置于空氣中與空氣中的H2S化合生成黑色Ag2S的緣故。其化學(xué)反應(yīng)方程式為:

圖8 氧化前后鍍銀纖維長(zhǎng)絲EDS元素分析結(jié)果Fig.8 The EDS analysis results ofsilver-plated filament before and after oxidation

隨著氧化時(shí)間的增加，該反應(yīng)加劇，硫化銀增多增厚，鍍銀纖維長(zhǎng)絲表面顏色便逐步由白變黃變灰最后變黑。Ag2S只具有半導(dǎo)體的性質(zhì)，其導(dǎo)電性遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法與銀相比，所以鍍銀層被氧化后其接觸電阻也就會(huì)大幅度增大。

影響鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能的不僅是其表面的銀容易被氧化，而且在穿著及使用含有鍍銀纖維長(zhǎng)絲類織物的過程中由于摩擦而引起鍍銀纖維長(zhǎng)絲表面銀含量損失。摩擦是影響含有鍍銀纖維長(zhǎng)絲織物功能性的最主要的因素之一，織物的垂直電阻、表面電阻、半衰期、電磁屏蔽效能等會(huì)隨著摩擦次數(shù)的增加而呈現(xiàn)不同趨勢(shì)的增大[6]。本文對(duì)此也進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖9所示。

圖9 摩擦與鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能的關(guān)系Fig.9 Effect of friction on the conductive properties ofsilver-plated filament

由圖9可見，隨著鍍銀纖維長(zhǎng)絲摩擦次數(shù)的增加，其電阻也不斷地增大。對(duì)摩擦后的鍍銀纖維長(zhǎng)絲利用SEM進(jìn)行觀察。如圖10所示，可以看到，摩擦使鍍銀纖維長(zhǎng)絲表面的銀層剝落，嚴(yán)重的摩擦?xí)瑰冦y纖維長(zhǎng)絲中的單紗斷裂，從而使電流流經(jīng)鍍銀纖維長(zhǎng)絲表面的通道受損，影響其導(dǎo)電性能。

圖10 鍍銀纖維長(zhǎng)絲摩擦后的SEM照Fig.10 The SEM photograph ofsilver-plated filament after friction

3 結(jié)論

1)鍍銀纖維長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性能隨著溫度的增大而增強(qiáng)，且變化隨著溫度的升高逐漸減緩;濕度對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能的影響是呈線性下降的。

2)加捻使得鍍銀纖維長(zhǎng)絲單位長(zhǎng)度的電阻增大，導(dǎo)電性能變差，當(dāng)捻度到200捻/10cm時(shí)，鍍銀纖維長(zhǎng)絲表面的銀層開始斷裂，使其單位電阻急劇增大，導(dǎo)電性能變差;而并股則使得鍍銀纖維長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性能呈倒數(shù)函數(shù)降低，隨著并股數(shù)目的增多，單位長(zhǎng)度鍍銀纖維長(zhǎng)絲的電阻降低趨勢(shì)逐步減弱。

3)氧化與摩擦都是導(dǎo)致鍍銀纖維長(zhǎng)絲導(dǎo)電性能變差的原因，從研究可以看到，鍍銀纖維長(zhǎng)絲僅僅在4周的時(shí)間內(nèi)就可以使其導(dǎo)電性能降低約1倍。對(duì)鍍銀纖維長(zhǎng)絲進(jìn)行摩擦，其表面的銀層在摩擦1 000次后會(huì)明顯的脫落，導(dǎo)致鍍銀纖維長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性能變差。

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