碳黑導電纖維的導電性能

王云燕， 陳慰來， 王金鳳(浙江理工大學 材料與紡織學院， 浙江 杭州 310018)

碳黑導電纖維的導電性能

王云燕， 陳慰來， 王金鳳
(浙江理工大學 材料與紡織學院， 浙江 杭州 310018)

為開發(fā)和拓展碳黑導電纖維的應用，利用體式顯微鏡和掃描電子顯微鏡對導電纖維的表面形態(tài)進行表征，測試了不同碳黑含量、不同線密度的導電紗線在標準環(huán)境下的電阻大小，并線性擬合了導電紗線電阻大小與測量長度的關(guān)系，對比分析了熱定型溫度和洗滌次數(shù)對紗線導電性能的影響。結(jié)果表明：碳黑導電成分在纖維表面，改善了錦綸纖維的力學性能；碳含量較高的纖維其導電性能優(yōu)于碳含量較低的纖維，導電紗線電阻與它們的長度成正比，與截面成反比；錦綸導電紗的電阻值隨著溫度的升高而減小，紗線熱處理溫度不超過120 ℃；洗滌次數(shù)對錦綸導電紗線的導電性能影響小，紗線導電性能穩(wěn)定。

導電纖維； 碳黑； 洗滌處理； 熱定型； 導電性能

隨著智能化的發(fā)展和普及，導電纖維作為智能纖維的典型代表之一，為眾人所矚目。導電纖維在傳感器、服裝等方面擁有極佳的應用前景[1-2]，因此，研究導電纖維探測電信號的性能及其傳輸性能是非常重要的。導電纖維在信息傳感方面已經(jīng)成為了21世紀智能材料中最理想的載體[3-4]。

碳黑復合導電纖維是研究較早的導電纖維之一。在20世紀60年代末期，日本帝人公司、美國巴斯夫公司相繼開發(fā)了在表面涂覆碳黑的有機導電纖維[5]，但是初期碳黑導電纖維中的碳黑導電成分易于脫落，實際使用頗為受限。為了改進碳黑導電纖維的性能，美國Monsanto公司、杜邦公司、日本Kanebo公司等研發(fā)了各類高性能的碳黑復合型導電纖維[6]，將碳黑配合高分子材料以混練加工、后加工處理或是其他方式制備成長效的導電纖維[7-8]。

本文以碳黑錦綸導電纖維為原料，研究了碳黑系導電纖維的表觀結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種導電紗線等效電阻測定方法，分析了導電性能的影響因素，并從實際應用出發(fā)，模擬熱處理工藝和織物洗滌，對比分析了碳黑錦綸導電纖維的使用價值，以期為碳黑導電纖維在智能紡織品應用方面提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

22 dtex黑色錦綸全拉伸絲(FDY)、22 dtex灰色錦綸全拉伸絲(FDY)(凱泰特種纖維科技有限公司)。碳黑導電纖維，以錦綸全拉伸絲為基體，碳黑粉末為有機導電材料，根據(jù)纖維含碳量的不同，纖維顏色分為黑色和灰色2種。

1.2 實驗儀器

SteREO Discovery V20型蔡司體視顯微鏡，JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)，X射線顯微分析系統(tǒng)(能譜儀，美國通用公司)，XQ-1A型單纖維強伸度儀，DM3068型數(shù)字萬用表(北京普源精電科技有限公司)，海爾全自動洗衣機，紡織品專用烘箱，E16型手搖橫機。

1.3 性能測試

1.3.1 形貌觀察

觀察試樣縱向結(jié)構(gòu)時，取干燥后的試樣剪成長度約為10 mm的小段，用導電膠黏在平臺式試樣架的表面；觀察試樣橫截面時，先用環(huán)氧樹脂包埋導電纖維，完全固化后在液氮中冷凍脆斷，從而得到平整的橫截面。試樣經(jīng)真空噴金后，采用掃描電子顯微鏡觀察導電纖維表面形貌，并利用X射線能譜分析法對導電纖維表面和內(nèi)部分別進行材料微區(qū)分成分元素種類與含量分析。

1.3.2 導電纖維強力測試

導電紗線在測試溫度為(20±2)℃，相對濕度為(65±5)%的環(huán)境中靜置24 h。利用XQ-1A型單纖維強伸度儀測試纖維強力。測試條件：自動設(shè)置預張力；上下2個夾持器的間距為50 mm；拉伸速度為100 mm/min；每個試樣實驗30次。

1.3.3 導電紗線等效電阻測試

不同線密度導電紗等效電阻大小不同，結(jié)合纖維導電性能和實際使用，首先對導電纖維進行合股并線[9]。其中：黑色錦綸長絲電阻率較小，進行5、20股并線；灰色錦綸長絲電阻率較大，進行20、40、60、80股并線。然后將導電紗線順直自然地固定在絕緣板上，兩端用絕緣膠帶固定，等距離標記2 cm長度，使用DM3068型數(shù)字萬用表分別測定10 cm單位長度(分別為2、4、6、8、10 cm)的電阻值。由于紗線股數(shù)較多，需要先用錫紙將測點包覆住，以使得測量時紗線能盡可能相互接觸。每個試樣測試10次，每次測試15 s，得到50個實時電阻值的平均值，取10次測量的平均值為紗線等效電阻值。

1.3.4 熱處理導電紗等效電阻測試

黑色錦綸絲5股并線，灰色錦綸絲20股并線，將紗線放入設(shè)定溫度為40、60、80、100、120、140 ℃的紡織品專用烘箱內(nèi)，分別熱烘90 s，而后取出冷卻，再用DM3068型數(shù)字萬用表測定其等效電阻。

1.3.5 洗滌后導電紗等效電阻測試

由于直接將紗線放入洗衣機內(nèi)洗滌，會使紗線相互纏繞打結(jié)，故先將導電紗以添紗方式用手搖橫機織成平針織物。根據(jù)GB/T 8629—2001《紡織品試驗用家庭洗滌和干燥程序》制定試樣的測試方式。設(shè)置洗衣機模式為輕柔，每洗滌10 min，脫水1 min為1次漂洗；分別漂洗5、10、15、20、25、30次后取出放入紡織品專用烘箱，溫度設(shè)定為65 ℃，時長為40 min，取出待其冷卻后將織物逆編織方向拆出，黑色錦綸絲5股并線，灰色錦綸絲20股并線，并股后固定在絕緣板上進行等效電阻測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維的微觀形貌分析

圖1示出碳黑導電紗線在蔡司體視顯微鏡下的實物圖?？煽闯觯?種導電纖維的條干均勻度較好，表面光滑，無天然卷曲，未經(jīng)過加捻處理。黑色錦綸纖維顏色較深，不易染色，灰色錦綸纖維顏色淺于黑色錦綸纖維，這是由于導電纖維碳黑含量不同。

圖1 蔡司體視顯微鏡下的導電錦綸全拉伸絲(×150)Fig.1 Stereo microscope images of conductive nylon fiber FDY(×150).(a) Black nylon fiber FDY; (b) Gray nylon fiber FDY

圖2示出碳黑導電紗線的掃描電鏡照片。從圖2(a)、(c)導電纖維縱向截面可看出：黑色錦綸纖維縱向外觀粗糙，有較強顆粒和較淺的溝槽，表面積較大；灰色錦綸纖維縱向結(jié)構(gòu)，沒有明顯的表層結(jié)構(gòu)，表面較為光滑，因此，在紡紗工藝過程中纖維抱合力小，紡紗性能較差。從圖2(b)、(d)纖維橫向截面可看出，黑色和灰色錦綸纖維截面近似圓形，有些許不規(guī)則異形，這和纖維生產(chǎn)過程中噴絲孔形狀有關(guān)。

圖2 導電錦綸FDY掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM images of conductive nylon fiber FDY. (a) Longitudinal section of black nylon fiber FDY(×3 000); (b) Transverse section of black nylon fiber FDY (×2 000); (c) Longitudinal section of gray nylon fiber FDY(×3 000); (d) Transverse section of gray nylon fiber FDY(×2 000)

經(jīng)過X射線能譜分析，可以得到2種導電錦綸纖維表面和內(nèi)部的C、N、O元素含量，如表1所示。黑色錦綸纖維內(nèi)部元素僅為C、N、O，其含量與灰色錦綸纖維內(nèi)部元素相近，說明2種導電錦綸纖維的基體相同。2種導電錦綸纖維表面的C元素含量都遠大于內(nèi)部C元素含量，證實了其導電成分為碳黑。黑色錦綸表面C元素含量明顯大于灰色錦綸，由此可以推測黑色錦綸纖維的導電性優(yōu)于灰色錦綸纖維。

表1 導電錦綸元素分析Tab.1 EDS analysis of conductive nylon FDY fiber %

同時，通過EDS分析還發(fā)現(xiàn)，灰色錦綸絲表面測試中含有微量Ti、Cr金屬元素，推測可能是TiO2、CrO3等，用于淺化碳黑紗線本色，改善紗線染色性能[7]。由于Ti和Cr的量與原子能占比僅為0.62%與0.17%，所以對纖維導電性能影響不大。

2.2 導電纖維的力學性能分析

導電纖維單纖直徑、復絲根數(shù)及強力等材料特性結(jié)果如表2所示?？煽闯觯谏\綸絲斷裂強力平均值為37.9 cN，而灰色錦綸絲為56.6 cN。影響紗線斷裂強度的主要因素是組成紗線的纖維的性質(zhì)及紗線結(jié)構(gòu)(捻度)這2個方面[10]。由表2中還可看出，黑色錦綸絲的斷裂伸長率為365.6%，灰色錦綸絲為232.1%。雖然黑色錦綸絲的斷裂強度低于灰色錦綸絲，但是其斷裂伸長率比灰色紗線大得多，說明其拉伸性能比灰色錦綸絲好。碳黑導電紗線的斷裂強度及伸長率都遠大于其基體錦綸(錦綸6的干態(tài)斷裂強度為0.38～0.62 cN/dtex，濕態(tài)斷裂強度為0.33～0.53 cN/dtex；干態(tài)斷裂伸長率為25%～55%，濕態(tài)斷裂伸長率為27%～58%)，說明碳黑的加入改善了導電纖維的力學性能。

表2 纖維材料特性Tab.2 Fabric characteristics

2.3 導電纖維的導電性分析

由于單根纖維線密度太小、電阻值過大，不符合實際使用情況，因此，對導電纖維進行合股并線后再進行測試。黑色錦綸絲進行5股和20股并線，灰色錦綸絲進行20、40、60、80股并線，選取了2～10 cm不同單位長度的導電纖維，測得2種纖維的電阻值，結(jié)果如圖3所示。然后利用Origin8.5對所測數(shù)據(jù)進行擬合。由于數(shù)字萬用表導線電阻和錫紙的電阻數(shù)值與紗線的電阻數(shù)值數(shù)量級相差太大，故忽略不計。

圖3 導電紗線的電阻Fig.3 Resistance of conductive yarns. (a) Black nylon yarn; (b) Gray nylon yarn

導電紗線電阻與它的長度成正比，而與纖維并股數(shù)成反比。利用導體理論可將并股的纖維看成這些導體并聯(lián)。實測數(shù)值表明，20股黑色錦綸絲的阻值約為5股的4倍，如圖3(a)所示。從圖3(b)看出，灰色錦綸絲的阻值隨著紗線根數(shù)從20股到80股的增多而降低，而隨著紗線測量長度的增加其逐次降低的程度漸漸變小，從1.5倍至1.2倍。從圖3可看出，在紗線股數(shù)相同的條件下，黑色錦綸絲的阻值遠遠小于灰色錦綸絲的阻值。

導體電阻與導體長度的關(guān)系式為

式中：ρ為導體的電阻率，Ω·cm；L為導體的長度，cm；S為導體的橫截面積，cm2；R為所測紗線的電阻值，Ω。設(shè)ρ/S為K，則有R=KL[11]。

由上述公式以及實測的實驗數(shù)據(jù)，利用Origin8.5所得到的擬合數(shù)據(jù)計算電阻率，結(jié)果如表3所示。

表3 碳黑導電纖維電阻擬合數(shù)據(jù)及電阻率Tab.3 Resistance fitting data and resistivity of carbon conductive yarns

由表3可看出，R2值趨近于1，表明回歸直線對觀測值的擬合度良好，導電錦綸紗線電阻值線性度高，纖維分子或基體中的電子導電機制增大，導電成分的連續(xù)性能較好，特別是在電流方向上。

2.4 導電纖維的耐熱性能分析

多數(shù)電阻與溫度成正比，其關(guān)系符合公式

Rt=R0(1+αRT)

式中：Rt為溫度等于t時的電阻值，MΩ；T為溫度，℃；αR為電阻溫度系數(shù)，℃-1，一般與溫度有關(guān)，對某些材料來說，在一定溫度范圍(0～100 ℃)內(nèi)變化非常小，可以當作常數(shù)，即Rt與t呈線性關(guān)系。一般來說，電阻是隨著溫度的升高而增加的。

圖4示出導電紗線的等效電阻隨溫度的變化。可看出：黑色錦綸絲的等效電阻隨著溫度的升高先變大后變小，其等效電阻在80 ℃前隨溫度升高而增大，從100 ℃開始隨著溫度的升高而變??；灰色錦綸絲的等效電阻和黑色錦綸絲的規(guī)律類似，但其在上升段的上升較緩。2種紗線的電阻都是在80 ℃前隨著溫度上升而增大，在100 ℃開始電阻隨溫度上升而減小。由此推測其錦綸基可能是錦綸6，錦綸6的安全使用溫度是93 ℃，隨溫度升高其強力降低，收縮率增大。收縮會使紗線中的C元素之間變得更緊密，從而使電阻變小。在高溫條件下，錦綸還會發(fā)生各種氧化和裂解反應，主要是—C—N—鍵斷裂形成雙鍵和氰基，使得紗線中的C更活躍，因此，導電性變好。從120 ℃開始，從烘箱拿出的紗線開始出現(xiàn)有些黏連，尤其在140 ℃時的情況更嚴重。纖維的破壞使得纖維之間的接觸更緊密，并使其中的碳黑粒子相互接觸的概率越高，碳黑粒子或碳黑粒子幾何體形成的導電通路也越多，增強其導電性。

圖4 導電紗線的等效電阻隨溫度的變化Fig.4 Equivalent resistance of conductive yarns vs.temperature. (a) Black nylon yarn FDY (5 stocks); (b) Gray nylon yarn FDY (20 stocks)

2.5 導電纖維耐洗性能分析

圖5 導電紗線的電阻值隨洗滌次數(shù)的變化Fig.5 Equivalent resistance of conductive nylon yarns vs. washing times. (a) Black nylon yarn FDY; (b) Gray nylon yarn FDY

2種試樣經(jīng)不同洗滌次數(shù)后的電阻值如圖5所示，數(shù)字萬用表導線電阻和錫紙的電阻忽略不計。如圖5所示，隨著洗滌次數(shù)的增加，導電紗線等效電阻先下降然后增加至趨于平穩(wěn)。這主要是因為隨著洗滌次數(shù)的增加，纖維的卷曲增大，纖維與纖維之間的纏繞更為緊密，增大了纖維間的接觸面積，故二者的電阻先減小后趨于平穩(wěn)。說明洗滌條件對黑色錦綸絲與灰色錦綸絲的影響不大。

3 結(jié) 論

1)以高性能碳黑作為導電原料，以錦綸作為基體，碳黑導電成分分布在纖維表面，隨著碳黑含量的增加，纖維的導電性能改善，紗線顏色也加深。

2)紗線等效電阻與長度成正比，與并線股數(shù)成反比。隨測量長度的增加，導電錦綸長絲的阻值線性增大；隨紗線股數(shù)的增多，導電錦綸長絲的阻值降低，并且隨著長度的增加，其逐次降低的程度漸漸變小。

3)導電錦綸紗線的等效電阻隨著溫度的升高先變大后變小，這是由于受導電紗線基體性能影響。隨著洗滌次數(shù)的增加，導電紗線等效電阻先下降，而后趨于平穩(wěn)，說明導電錦綸長絲耐水洗性能好，實用性較強。

FZXB

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Conductive property of carbon black conductive fiber

WANG Yunyan， CHEN Weilai， WANG Jinfeng
(CollegeofMaterialsandTextiles,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

In order to develop and extend the application of carbon black conductive fiber, the morphological structure of conductive fiber was characterized by stereo-microscopy and scanning electron microscopy, and the conductive resistances of conductive yarns of different carbon black contents and finenesses were tested under the standard normal atmospheric condition. The regression curves of the resistance of conductive yarns and the measuring length were drawn. The influences of heat setting temperature and washing times on the electrical properties of conductive yarns were analyzed and compared. The results show that carbon black on the surface of the fiber improves the mechanical properties of nylon fiber. The conductive properties of the fiber with higher carbon black content are better than that with low carbon black content. The resistance of conductive yarns is proportional to their length and inversely proportional to the cross section. The resistance value of the polyamide conductive yarn decreases with temperature. Yarn heat treatment temperature is not higher than 120 ℃. Almost no effect of washing times exists on the conductivity of conductive nylon yarn, and yarn conductive properties are stable.

conductive fiber； carbon black； washing treatment； heat setting； conductive property

2016-07-04

2016-12-21

“紡織科學與工程”重中之重一級學科開放基金項目(2014KF03)；“紡織科學與工程”重中之重一級學科優(yōu)秀博士專項(2014YBZX02)；浙江理工大學科研啟動基金項目(14012003-Y)

王云燕(1991—)，女，碩士生。主要研究方向為現(xiàn)代紡織技術(shù)及新產(chǎn)品。陳慰來，通信作者，E-mail：wlchen193@163.com。

10.13475/j.fzxb.20160700606

TS 151

A