皮革高分子材料電學性能的研究進展

周晨，楊巍（山東大學材料科學與工程學院，山東濟南250002）

皮革高分子材料電學性能的研究進展

周晨，楊巍
（山東大學材料科學與工程學院，山東濟南250002）

摘要：導電高分子材料自發現以來，相關研究日新月異。導電高分子材料因為具有比金屬材料密度低、可加工性好及能量密度大等優點，獲得了研究人員廣泛重視。本文介紹了皮革高分子材料在導電機理、電學性能應用等方面的研究進展。

關鍵詞院皮革；導電；機理；電學性能

前言

通常認為，聚合物是良好的絕緣體，例如在電力行業中常見包覆導體的塑料。這一傳統觀點，在美國加州大學的Alan Heeger、美國賓大的Alan MacDiarmid、日本筑波大學的Hideki Shirakawa于20世紀70年代合作發現導電聚合物以來得以改變，因為發現通過化學摻雜或者是電化學摻雜可以使聚合物電導率急劇提升至銅等良導體的數量級，他們也因此共同獲得了2000年的諾貝爾化學獎。這一偉大科學發現，毫無疑問地促使產生一系列電子信息工業的改革創新，比如導電聚合物可以制造出用于計算機的塑料電子產品和塑料電池，這為電腦進一步微型化和硬件方面的革新創造了條件[1]。有機電子學的時代已經到來，它顯著地改變和革新著人類的生活，例如近年來得到廣泛研究的用于電動汽車的塑料電池材料，目前的研究包括聚乙炔、

吩噻嗪、聚丙烯腈等聚合物材料。因為聚合物材料具有密度低、能量密度大、可加工性強、環保性好等金屬材料不具備的優點[2]，而得以成為最近的研究熱點。本文將就近年來皮革高分子材料在電學性能方面的研究情況以及在電學方面的應用情況進行介紹。

1　皮革的導電機理及影響電導率的因素

1.1皮革導電機理

研究表明，皮革高分子材料內部既沒有金屬導電時所需的自由電子也沒有半導體導電時所需的電子、空穴，其導電機理為內部的陰離子和陽離子在外加電場的作用下產生定向移動，因此皮革高分子材料屬于離子導電型聚合物。皮革內部結構為在三維空間編制而成的膠原纖維，皮革微觀結構中含有較多的微孔和空隙，在皮革必經的鞣制等加工制作中不可避免的引入鉻離子、氫離子、鈣離子以及堿基、羧基等極性基團。這些皮革中存在的陰、陽離子，極性基團在正常情況下電荷相互平衡、抵消，對外不顯電性；但在外加電場作用時，皮革內部陰、陽離子會定向移動，從而具有一定的導電性能。

張方暉[3]通過對導電有機材料載流子輸運原理的研究，得出了以皮革為代表的離子型導電有機材料電導率的一般公式（（1）式）：

一般情況下，（1）式可簡化為（2）式：

（3）式為溫度對皮革材料電導率影響，（4）式為壓強對皮革材料電導率的影響。（4）式中，K為與皮革材料有關的常數，為壓強，0為壓強為零時的電導率。此外，張方暉通過對鉻鞣豬皮鞋面革、牛皮鞋面革、綿羊皮服裝革三種材料伏安特性曲線的測定，發現上述三種材料的電導率大于絕緣體而小于導體，屬于半導體的范疇。

作為音樂劇，《茉莉》展現的時間跨度很長，從1941年直至2017年。曾先生創造性地將一個時代的變遷濃縮到兩對戀人的情感旋渦中，由兩條交織的情感線將抗日時期、內戰時期、兩岸的對立時期直至現今，清晰地展現在觀眾面前。男主人公雨澤與女主人公小茉莉的愛情作為該劇的情感明線貫穿于全劇中，她們的相識、相戀正是當代海峽兩岸的主流意識，它是陽光的、充滿希望的。這樣的劇情設置恰好提供了音樂劇創作所需要的時尚、流行的元素，作為《茉莉》的作曲，我在這些橋段的創作中是充滿了喜悅與滿足的。

孫立蓉等[4]研究了皮革材料在外加電場作用下離子位移極化率的影響機理。皮革材料內部微觀結構中存在著離子鍵、氫鍵、范德華力等，當皮革材料處于外加電場作用時，內部結構中羧基和堿基等極性基團將產生離子位移極化現象，皮革高分子材料作為離子導電型聚合物，其位移極化率n可表示為（5）式：

羅曉民等[5]研究了皮革材料在外加電場作用下，皮革材料內部羧基、堿基等極性基團產生偶極子轉向極化的機理。研究表明，生皮在制作加工過程中在酸性和堿性處理條件下，內部結構中原來存在的離子鍵、氫鍵交聯失效，隨之產生偶極矩。在正常狀態下，皮革中的偶極子方向任意，宏觀不顯電性；在外加電場作用時，皮革

材料中偶極子轉向與電場線方向相同，從而產生偶極子轉向極化現象。皮革材料中偶極子轉向極化率可用（6）式表示：

1.2皮革導電性能的影響因素

溫度對于皮革導電性能的影響由（3）式可知，隨著溫度的升高，皮革電導率上升。當溫度上升時，皮革內部結構中的陰、陽離子的能量升高，熱運動更為活躍，從而更容易突破定向遷移過程中存在的能壘，因此皮革的電導率隨著溫度的升高而逐漸提高。

環境濕度對于皮革導電性能的影響表現為：隨著環境濕度的增加，皮革導電率增加。張武勤[6]研究了環境相對濕度對鉻鞣山羊革、植鞣山羊革、鉻植鞣山羊革導電性能的影響，結果表明：當相對濕度在25% ～50%之間時，皮革電導率隨相對濕度的增加而緩慢增加；當相對濕度大于50%時，皮革電導率隨相對濕度的增加而快速增加。環境濕度增加，皮革材料中含水量隨之增加，當含水量增加時，皮革內部陰、陽離子的導電能力增強，因此皮革材料電導率上升。

2　皮革電學性能的應用

2.1抗靜電皮革

在工業生產和人類日常生活過程中，靜電是一個不可被忽略的影響因素。在工業生產中，每年靜電作用都會造成數目不小的經濟損失；在日常生活中，因為衣飾存在靜電荷而引發觸電更是十分常見。目前抗靜電皮革皮革材料的研究，主要采用的方法是對皮革表面進行表面活性處理劑處理來抑制靜電荷的產生，或者促進靜電荷的引導排出，從而消除靜電帶來的不利作用。但是，上述方法主要通過添加表面活性劑來實現抗靜電功能，而表面活性劑的抗靜電作用受環境相對濕度影響較大，存在著抗靜電效果不穩定的一面。研究表明，如果既要消除靜電作用，又要抗靜電效果穩定且不受環境相對濕度的影響，具有適當導電性能的高分子材料是一個具有發展前景的方向[7]。通過摻雜適當的物質，可以使普通高分子材料的電導率在很大的范圍內發生變化，從而促使靜電荷排走。目前抗靜電高分子材料研究領域中，研究層次較深并且研究范圍較廣的是聚苯胺[8]、聚二氧乙基噻吩[9-11]等。

2.2防電磁輻射材料

隨著科技的發展，日常生活中電子產品存在著各種各樣的電磁輻射問題，而這些電磁輻射對人類的身體健康存在著不同程度的有害作用，因此如何避免這些電磁輻射成為當今研究的熱點。防止電磁輻射的機理是要求材料表面導電而內部有較大的介電損耗，從而使電磁波在材料表面反射或者是在材料內部損耗。通過對皮革材料原有組織結構進行調整，例如在皮革內部增加介電損耗值較大的材料含量，再輔以皮革表面適當的處理以增強材料表面的導電性，可以使皮革服飾具有防止電磁輻射的作用，從而保護人類的身體健康[3]。

2.3皮革材料涂層質量的鑒別

張方輝等[12]探索性地研究了鉻鞣牛皮鞋面革涂飾加工表

面前后，電導率的變化情況。研究表明：在用聚氨酯涂飾劑對皮革表面進行涂飾加工之后，皮革的電阻率比處理之前提高了接近4倍，由此可以得到一種利用涂飾加工前后皮革電阻率的變化來檢測涂飾加工質量與處理程度的電學檢測手段。通過電學檢測手段，可以較為準確地判斷涂飾加工的質量，從而控制產品質量的均一性，最大程度地減小產品質量方差，因而可以提高產品的整體質量。利用已有的質量較好的成品的物理性質如電學性質作為標準，定量檢測所生產產品的物理性質從而達到控制產品質量的目的，是皮革檢測行業未來潛在的發展方向。

3　結語

皮革高分子材料在電學性能方面的研究正逐步開展，通過研究皮革高分子材料電學性能的特點，可以在抗靜電材料、抗電磁輻射、涂飾加工等領域使皮革材料的功能和檢測方式更加多樣化，從而更好地服務于人類的生產與生活。

皮革導電性能的研究應向著研制功能性復合材料的方向發展，例如可以改善皮革表層導電性能達到防止電磁輻射的作用，從而制作出防止電磁輻射而保護人體的衣物服飾等。此外，皮革材料已經不僅僅用于保暖作用，其功能日趨多樣化，例如皮革可以防污、防紫外線、增加空氣中負離子的作用等[13]，皮革材料正向著高科技化和高知識含量的方向發展。皮革作為高分子聚合物材料，相關科研人員應該進一步探索皮革的潛在性能，發揮皮革更加多樣化的功能是當前科研人員義不容辭的責任。

未來多功能性皮革的開發，應在研究皮革微觀結構基礎上，在制作加工皮革工藝的同時，摻雜適當的物質改變皮革高分子材料原有的微觀結構或者摻雜具有某種性能的物質來改善皮革的功能，從而實現皮革多功能化的目的。開發出具有特種性能的高科技含量的皮革產品，在滿足人們需求的同時，對于增加皮革產品附加值將起到巨大作用，可以促進皮革行業的發展。

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Progressin Researchon Electrical Propertiesof Leather Polymer Materials

ZHOU Chen, YANG Wei
(School of Materials Science and Engineering, Shandong University, Ji’nan 250002,China)

Abstract:The study of enormous conductive polymer material develops rapidly since it was found. Com原pared with the metal material, the conductive polymer material possesses a series of advantages such as low density, good processing performance, high energy density and so on. Therefore, it received extensively attention. This article will review the progress of research on the mechanism of conduction, application of electrical properties of the leather polymer materials.

Key words:leather; conduction; mechanism; electrical property

作者簡介：第一周晨，山東大學材料科學與工程學院在讀本科生，聯系電話18366112613。

收稿日期：2015-02-07

文章編號：1671-1602（2015）06-0016-04

文獻標志碼院A

中圖分類號院TB 34