導電纖維的發(fā)展與應用

鄭少明+賴祥輝+林本術

摘要 導電纖維的現(xiàn)有種類有金屬導電纖維、碳素導電纖維和有機導電纖維，導電纖維以其優(yōu)良的導電性能被廣泛地應用于抗靜電、防輻射、傳感器及軍工等領域。介紹了各類導電纖維的性能以及導電纖維在紡織品中的應用和市場前景。

關鍵詞：導電纖維；導電性；性能；應用

導電纖維是一種通過電子傳導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]。導電纖維的現(xiàn)有種類主要有：金屬導電纖維、碳素導電纖維和有機導電纖維。

1 導電纖維的分類

1.1 金屬導電纖維

最早出現(xiàn)的金屬導電纖維是由美國Brunswick公司生產的不銹鋼纖維Brunsmet，這種纖維是通過對不銹鋼絲反復穿過模具精細拉伸而制成的[2]。金屬導電纖維主要是利用金屬優(yōu)良的導電性能，使用的金屬主要有不銹鋼、銅和鋁等[3]。金屬導電纖維是導電性能最好的導電纖維，導電性能接近純金屬，電阻率達到10-4Ω·cm ～10-5Ω·cm，而且耐化學腐蝕，還具有防輻射、強度高、彈性模量高等優(yōu)點，但金屬導電纖維的手感較差，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）纖維經高溫炭化處理制得，現(xiàn)在根據原絲類型可分為粘膠基、PAN基和瀝青基[5]。碳素導電纖維的電阻率在10-3 g/cm3～10-4Ω·cm，導電性能優(yōu)良，且密度小（1.5 g/cm3～1.8g/cm3）、直徑細（5μm ～7μm）、長徑比大，具有高強度、化學穩(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 有機導電纖維

1.3.1 導電高分子直接紡絲制成的有機導電纖維

高分子材料通常被認為是絕緣體，但1977年美國科學家A. F. Heeger發(fā)現(xiàn)聚乙炔經摻雜后具有明顯的導電能力，隨之又相繼誕生了聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等高分子導電物質 [7]。目前加碘聚乙炔的導電能力已達到室溫下金屬銅的水平（10-4Ω·cm）。

使用導電高分子直接紡絲制成的有機導電纖維目前還比較難以應用于紡織生產，其原因在于聚合物主鏈中的共軛結構使分子鏈僵直，不溶、不熔，難以紡絲加工；某些導電聚合物中的氧原子對水極不穩(wěn)定；某些導電聚合物的單體有毒且被懷疑是致癌物質，某些摻雜劑多有毒性；復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電物質制成的有機導電纖維

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、化學等途徑在纖維表面涂覆金屬、碳、導電高分子等導電物質的方法，常見的方法有化學電鍍法、真空蒸發(fā)吸附法、縫隙式機械涂敷法、嵌碳法、滲入法、絡合法和吸附法[4， 9]。這類導電纖維的導電成分都附著在纖維表面，放電效果良好，但是在反復摩擦和洗滌之后，附著在纖維表面的導電物質容易剝落，會降低纖維的導電性能。

1.3.3 導電物質與普通高聚物復合紡絲制成的有機導電纖維

1974年美國DuPont公司率先開發(fā)了以含有碳黑的PE為芯、PA66為鞘的皮芯復合導電纖維AntronⅢ，此后各大化纖公司紛紛開始研究和開發(fā)含有碳黑的復合導電纖維。但碳黑復合導電纖維通常呈灰黑色，限制了其應用范圍，20世紀80年代開始了導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電物質，復合紡絲制得適合各種染色要求的白色導電纖維[10]。

復合紡絲法制得的有機導電纖維中導電物質沿纖維軸向連續(xù)，易于電荷逸散。復合結構常見的有皮芯結構、單點或多點內切圓結構、三明治夾心結構和共混結構等。碳黑復合導電纖維的導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。金屬化合物復合導電纖維的導電性能相對較差，電阻率為 103Ω·cm ～104Ω·cm，適合于淺色民用紡織品[11]。復合型有機導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)良且持久的導電性。因此這種纖維廣泛地適用于工業(yè)生產和服裝、服飾上[11]。

2 導電纖維的應用

由于導電纖維的導電性能主要基于自由電荷的移動，不依靠吸濕和離子的轉移，所以導電纖維不受環(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)良的導電性能[3]。其紡織產品主要有抗靜電和防輻射功能，在電子產業(yè)、航空航天、電視廣播、信息產業(yè)、電力、電信、醫(yī)藥及精密儀器等領域的應用非常廣泛。

2.1 抗靜電紡織品

合成纖維在使用過程產生的靜電會對人民的生活和工業(yè)生產帶來危害。隨著科技的發(fā)展，紡織品在使用過程中產生的靜電還會造成電子儀器的運轉故障，在集成電路的研究和生產過程中，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電纖維的織物表面時，導電纖維作為導電介質能將電磁波轉化或傳遞出去，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

使用導電纖維根據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，在各個領域都有廣泛的應用。傳感器紡織品可用于溫度、壓力、電磁輻射、化學物質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 結語

導電纖維作為一種重要的功能材料，隨著導電纖維與其他相關科學領域的結合越來越緊密，導電纖維的應用將會得到進一步的推廣。相信隨著科技的進步，利用導電纖維將持續(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)境的變化進而調節(jié)自身以適應環(huán)境變化。導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，福建省紡織產品檢測技術重點實驗室）