導(dǎo)電腈綸紗的導(dǎo)電性及其織物的電熱性能研究

林思伶 李龍 吳磊 張弦 馬珮珮

（西安工程大學(xué)，陜西西安，710048）

腈綸具有強(qiáng)度大、易染色、柔軟、不怕蟲(chóng)蛀、不熔滴、耐熱等優(yōu)良性能。導(dǎo)電腈綸不僅可以保留腈綸的優(yōu)良性能，還具有良好的導(dǎo)電性，可以減少電荷的集聚，消除靜電。導(dǎo)電腈綸制成的柔軟織物可彎曲、縫制、拉伸、熨燙，且仍具有織物的觸感、透氣性和柔韌性，在軍事、紡織、化工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1-3］。

柔性電加熱元件是可將電能轉(zhuǎn)換為熱能的材料，碳基導(dǎo)電材料、金屬導(dǎo)電紗、導(dǎo)電聚合物材料等是目前用于電加熱織物的主要電加熱元件［4-5］。電加熱織物的制備方法有多種，使用較多的有將導(dǎo)電材料通過(guò)機(jī)織法、針織法等織成電加熱織物，通過(guò)涂覆法、原位聚合法等賦予織物導(dǎo)電性使其成為電加熱織物等［6-7］。其中，原位聚合法應(yīng)用導(dǎo)電聚合物聚苯胺、聚吡咯等，采用化學(xué)鍍使紗線表面沉積金屬銀、銅等，制備的導(dǎo)電纖維因工藝簡(jiǎn)單、成本低受到越來(lái)越多研究者的青睞［8-10］。聚苯胺的質(zhì)子酸摻雜可使其獲得優(yōu)良的導(dǎo)電性能，且易合成、穩(wěn)定性好以及價(jià)格低，是導(dǎo)電高分子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［11］；同時(shí)其具有還原性，可以還原出銀、金、鈀、銠等離子，是導(dǎo)電復(fù)合材料基體的最好選擇之一［12］?；瘜W(xué)鍍銀可賦予紗線優(yōu)異的導(dǎo)電性、電磁屏蔽性能、抗菌性、抗靜電和電熱性能，且對(duì)人體無(wú)害，是目前柔性電加熱元件的研究熱點(diǎn)之一［13］。

近年來(lái)，柔性電加熱紡織品因其加熱溫度可控、可反復(fù)加熱已成為未來(lái)發(fā)展智能紡織品的重點(diǎn)研究方向之一。為了滿足足夠的熱舒適性能，避免加熱不均勻和局部供暖過(guò)度的潛在危險(xiǎn)，研究其導(dǎo)電性和傳熱均勻性具有重要意義。本研究以腈綸長(zhǎng)絲和腈綸短纖紗為基材，用原位聚合法摻雜聚苯胺后化學(xué)鍍銀，探討改性后的腈綸長(zhǎng)絲和腈綸短纖紗的導(dǎo)電性及其織物的電熱性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

腈綸長(zhǎng)絲，線密度16.7 tex。腈綸短纖紗，線密度28.0 tex。

無(wú)水乙醇、硝酸銀、氫氧化鈉、苯胺、過(guò)硫酸銨、硝酸、酒石酸鉀鈉、氨水和葡萄糖均為分析純。

1.2 導(dǎo)電紗的制備

將腈綸長(zhǎng)絲和腈綸短纖紗在水浴80℃、20 g/L的氫氧化鈉處理液中浸漬30 min進(jìn)行粗化處理，隨后水洗晾干。將粗化后的紗線在含有苯胺單體的硝酸溶液中浸漬30 min后加入一定量的過(guò)硫酸銨溶液，均勻攪拌，密封反應(yīng)2 h后充分水洗晾干，制得聚苯胺改性腈綸紗，過(guò)硫酸銨與苯胺的摩爾比為1∶1。將制備的聚苯胺改性腈綸紗浸入一定濃度的硝酸銀溶液中，活化2 h后水洗晾干。配置25 g/L的葡萄糖和2 g/L的酒石酸鉀鈉混合液并煮沸10 min，冷卻后加入無(wú)水乙醇制得還原液。將氨水滴入一定量的硝酸銀溶液中至澄清，加20 mL/L的乙二胺，再加入氫氧化鈉使溶液pH值=11，繼續(xù)滴加氨水至澄清制得銀氨溶液；將活化好的聚苯胺改性腈綸紗放入銀氨溶液和還原液的混合液中，在水浴40℃下處理2 h，制得聚苯胺鍍銀改性腈綸紗，將其取出水洗并晾干，待測(cè)。

1.3 測(cè)試與表征方法

1.3.1 表面形貌觀察和化學(xué)元素含量測(cè)試

采用VHX-5000型超景深三維顯微鏡系統(tǒng)對(duì)處理前后的腈綸紗表面形貌進(jìn)行觀察。采用Quanta-450-EFG型掃描電子顯微鏡觀察處理前后腈綸紗的表面微觀形貌，同時(shí)用該儀器配備的X射線能譜儀測(cè)定紗線表面化學(xué)元素含量。

1.3.2 紗線導(dǎo)電性測(cè)試

在溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度（50±3）%的恒溫恒濕環(huán)境下，采用UT39A型數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)待測(cè)紗線進(jìn)行電阻測(cè)試。為了加強(qiáng)樣品測(cè)試結(jié)果的可靠性，每種樣品測(cè)10次，結(jié)果取平均值。

1.3.3 織物電熱性能測(cè)試

將織物裁剪成30 mm×50 mm的樣品，在溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度（50±3）%的恒溫恒濕環(huán)境下，將DP310型直流穩(wěn)壓電源兩根導(dǎo)線兩端的夾子與織物兩端連接，通過(guò)物理試驗(yàn)臺(tái)施加直流電壓，測(cè)試待測(cè)樣品的溫度。使用TIX640型熱紅外成像儀觀察不同電壓下導(dǎo)電織物在加熱過(guò)程中的溫度變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌和化學(xué)元素分析

不同紗線的表面形貌如圖1所示。從圖1的紗線表面形貌圖中可以看出，腈綸短纖紗表面有毛羽、捻度，腈綸長(zhǎng)絲表面光潔、無(wú)捻度。原位聚合后的聚苯胺改性腈綸紗呈深藍(lán)色。經(jīng)化學(xué)鍍銀后的聚苯胺鍍銀改性腈綸紗呈乳白色，聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲顏色均勻，聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗毛羽處有銀粒子聚集。不同紗線的纖維表面掃描電子顯微鏡圖如圖2所示。如圖2所示，化學(xué)鍍銀后的腈綸表面被銀層包裹，腈綸長(zhǎng)絲鍍銀層分布相對(duì)均勻，顆粒緊密且細(xì)小。

圖1 不同紗線的表面形貌圖（均為150倍）

圖2 不同紗線的纖維表面掃描電子顯微鏡圖（均為5 000倍）

聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的X射線能譜分析圖如圖3所示，元素含量如表1所示。從圖3中可以看到C、O、Ag三種元素的峰，證明聚苯胺改性腈綸紗表面成功負(fù)載了納米銀。

圖3 聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的X射線能譜圖

從表1中的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲表面銀質(zhì)量含量多于聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的，進(jìn)一步說(shuō)明聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲表面銀粒子的負(fù)載量較大，因此其導(dǎo)電性更好。

表1 聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的元素含量單位：%

2.2 紗線的導(dǎo)電性

經(jīng)不同濃度硝酸銀制備的聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的電阻測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著硝酸銀濃度的增加，聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的電阻不斷降低，降低趨勢(shì)逐漸變緩，其中聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲的電阻值均比聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的電阻值低。不同過(guò)硫酸銨濃度下紗線電阻的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，過(guò)硫酸銨濃度為0.25 mol/L時(shí)，聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的電阻值達(dá)到最低，聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲的電阻值為0.60Ω/cm，聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的電阻值為0.81Ω/cm?？梢?jiàn)，聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性比聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的好。

圖4 硝酸銀濃度與紗線電阻的關(guān)系

圖5 過(guò)硫酸銨濃度與紗線電阻的關(guān)系

隨機(jī)各選取5根長(zhǎng)度大于10 cm的聚苯胺鍍銀改性腈綸紗，將其放在絕緣板上，固定兩端，采用UT39A型數(shù)字萬(wàn)用表分別測(cè)試其自然狀態(tài)下2 cm、4 cm、6 cm、8 cm和10 cm的電阻值，測(cè)試10次取平均值。不同過(guò)硫酸銨濃度下，聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的長(zhǎng)度與電阻值的關(guān)系如圖6所示。可以看出，過(guò)硫酸銨濃度在0.10 mol/L和0.40 mol/L時(shí)，聚苯胺鍍銀改性腈綸紗電阻值均隨紗線長(zhǎng)度增加呈非線性變化，說(shuō)明聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的鍍銀層不均勻。過(guò)硫酸銨濃度為0.30 mol/L和0.25 mol/L時(shí)，聚苯胺鍍銀改性腈綸紗電阻值隨紗線長(zhǎng)度增加呈線性變化，表明過(guò)硫酸銨濃度在0.30 mol/L和0.25 mol/L時(shí)，聚苯胺鍍銀改性腈綸紗鍍銀涂覆較均勻。其中，過(guò)硫酸銨濃度為0.25 mol/L時(shí)測(cè)得的聚苯胺鍍銀改性腈綸紗電阻值最低，聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲的電阻值更低。

圖6 過(guò)硫酸銨濃度與紗線長(zhǎng)度和電阻值的測(cè)試結(jié)果

2.3 織物電熱性能分析

以T/C 65/35 28.0 tex紗為經(jīng)紗，以聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲、聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗分別為緯紗織造經(jīng)密350根/10 cm、緯密261根/10 cm的平紋導(dǎo)電織物1和織物2。在溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度（50±3）%的恒溫恒濕環(huán)境下，對(duì)織物兩端施加不同電壓，進(jìn)行熱紅外成像測(cè)試。圖7為輸出電壓1.8 V時(shí)兩個(gè)織物的熱紅外成像圖?？梢钥闯?，導(dǎo)電織物的熱紅外圖像溫度顏色變化從內(nèi)到外分別是白色、紅色、黃色、綠色和藍(lán)色，表示溫度由高到低。隨著電壓的增加，導(dǎo)電織物的表面溫度升高。其中，在1.0 V、1.5 V和1.8 V電壓下，織物1最高溫度分別達(dá)到36.6℃、61.0℃和94.6℃，織物2最高溫度分別達(dá)到29.0℃、40.0℃和51.1℃。

圖7 輸出電壓為1.8 V時(shí)聚苯胺鍍銀改性腈綸織物的熱紅外成像圖

在不同負(fù)載電壓下聚苯胺鍍銀改性腈綸織物的溫度隨時(shí)間變化情況如圖8所示。

圖8 兩種織物在不同電壓下溫度隨時(shí)間變化情況

可以看出，兩種織物的表面溫度隨著負(fù)載電壓的增加而升高，溫度在施加電壓50 s內(nèi)迅速上升。加熱過(guò)程中織物1溫度波動(dòng)小，聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲發(fā)熱較均勻。當(dāng)關(guān)閉電源后，織物表面溫度迅速下降。相同電壓下，織物1最大平衡溫度均比織物2的高。電壓在1.0 V時(shí)，織物1與織物2表面平衡溫度相差較??；電壓在1.8 V時(shí)，織物1與織物2表面平衡溫度相差較大。這是由于織物1中聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性比織物2的聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的導(dǎo)電性好，織物1通過(guò)的電流比織物2的更大，因此產(chǎn)生的熱量更多。

3 結(jié)論

（1）以腈綸紗為基底，聚苯胺和納米銀為功能材料，通過(guò)原位聚合和化學(xué)沉積法，以0.25 mol/L的過(guò)硫酸銨、10 g/L的硝酸銀制備的聚苯胺鍍銀改性腈綸導(dǎo)電紗具有良好的導(dǎo)電性。

（2）在相同的制備條件下，聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲的導(dǎo)電性比聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的導(dǎo)電性好，聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲的電阻值為0.60Ω/cm，聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的電阻值為0.81Ω/cm。

（3）聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲織物的電加熱性能比聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗織物的電加熱性能穩(wěn)定；在施加電壓相同情況下，聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲織物的表面溫度比聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗織物的表面溫度高。其中，施加電壓為1.8 V時(shí)，聚苯胺鍍銀改性腈綸長(zhǎng)絲織物的表面溫度最高可達(dá)94.6℃。