導(dǎo)電纖維的發(fā)展與應(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。

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（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）