導電纖維的制備方法及應用

湯雅淇 桂寧遙 馬 巖

（遼東學院化工與機械學院，遼寧丹東118000）

20 世紀中期，由于靜電而造成的事故屢屢發生，引起了各國研究機構的重視。同時，由于信息革命的迅猛發展，在人們的工作以及生活環境中電磁輻射也日漸嚴重。但是導電纖維就具有非常良好的抗靜電效果并且持續的時間較長，環境的濕度對其也不具影響，在一定條件下，具有電磁屏蔽功效，于是導電纖維的研制越來越受到重視，使用的領域也愈來愈廣泛[1]。

一、導電纖維生產的工藝流程

1.導電聚合物的制備

由PET 和聚乙二醇合成共聚酯，再聯合碳黑進行雙螺桿混煉，再通過切片、真空干燥機干燥、固相聚合、冷卻這幾步驟，最終形成導電聚合物切片。

2.導電纖維的制作流程

導電聚合物和PET 切片經過雙螺桿、紡絲箱體、復合紡組件、冷卻區、上油、卷繞、拉伸、定型、檢驗等步驟到最后裝箱[2]，這就是導電纖維的制作流程。

二、導電纖維的具體分類以及制造方法

根據導電纖維的特點，可以將其分為四大系列，分別是金屬系導電纖維、碳黑系導電纖維、導電高分子纖維和金屬化合物型導電纖維[3]。下面針對這四種導電纖維介紹其具體的制造方法：

1.金屬系導電纖維

金屬系纖維顧名思義是由金屬類材料制成的纖維，所以它可以很好地進行導電，能夠耐熱、耐化學腐蝕，這些都是它的一些特性，但對于紡織品而言，金屬纖維紡紗性能差，制成產品后受到諸多限制，多用于防靜電工作服和抗靜電裝飾類布料的制作，但是將金屬系纖維制成高細度纖維時的價格比較高。

金屬系導電纖維的制作主要依據于金屬的一些利用價值比較高的性質，最主要方法是直接拉絲法，簡而言之就是將金屬通過拉伸、拉長等各種“拉”的方法拉制成纖維。主要金屬有不銹鋼、銅和鋁。其他的方法還有紡絲法，將金屬通過熔融的方法擠出或噴射成纖維。金屬纖維通常不單獨使用，而是與普通纖維混合制成可以導電或防靜電的織物。再一種方法是玻璃纖維包覆熔融紡織法。它是利用玻璃絲的包覆性，將金屬類的纖維熔融后包覆于其他纖維上。還有噴涂法，它是將普通纖維先進行表面處理，再用真空噴涂或化學電涂法將金屬沉降在纖維表面，使纖維具有金屬一樣的導電性[4]。

2.碳黑系導電纖維

碳黑系纖維是將碳黑與成纖物質混合后制成的導電纖維，其特點是在保持纖維具有的原性質之外，增加了一定的導電性能。其缺點是由于原材料的特殊性，顏色比較單一，通常為黑色或灰黑色，在使用上受到了一定的限制。而經碳化處理后的碳纖維導電性能、耐熱性以及耐化學藥品的性能也得到提高，但是缺乏韌性，因此適用范圍有限。碳黑系導電纖維的制造方法通常有以下三種：

（1）摻雜法：即將碳黑與纖維混合后紡絲，使得加紡后的纖維具有導電性能。這種方法一般采用皮芯復合紡絲法，既不影響纖維原有的物理性能，又使纖維具有了導電性。

（2）涂層法：涂層法是在普通纖維表面涂上碳黑。通常采用粘合劑將碳黑粘合在纖維表面，或者直接將纖維表面快速軟化，并與碳黑粘合。但是這種方法的缺點是碳黑容易脫落，纖維手感不好，并且碳黑在纖維表面的分布不易均勻。

（3）纖維炭化處理法：有些纖維，如聚丙烯腈纖維、纖維素纖維、瀝青系纖維等，經炭化處理后，其纖維的主鏈主要為碳原子，進而使纖維具有導電能力。

3.金屬化合物型導電纖維

在1960 年代，由美國 Bekaert 公司推出商品化不銹鋼纖維“Beki12 OX”，是最早出現的金屬纖維。將其制成短纖維，并與普通紡織纖維混紡織造，用于防靜電地毯和工作服面料中。金屬化合物型纖維的特點是導電性能好，但是可紡性能差，成品色澤受限制，制作時價格比較昂貴[5]。

導電型金屬化合物纖維以混合紡絲法、吸附法或化學反應法制成。堅固程度較好，其中與之混合的化合物還具有其本身的特性以形成附加性能，但是某些化合物的成本偏高，而且部分化合物雖然可與金屬結合形成金屬化合物型纖維，但導電性能不如碳黑系纖維，屏蔽電磁的性能也比較一般，只能簡單地用于抗靜電織物的制造。

4.導電高分子纖維

導電高分子型纖維是由聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等高分子導電材料通過直接紡絲制成的有機導電纖維，紡絲過程困難，價格相比于其他三種導電纖維更昂貴，很少在紡織品中應用。通常高分子導電纖維分為復合型和結構型兩大類：

（1）復合型高分子導電材料：主要由高分子材料與各種導電性物質復合制得。主要產品有導電塑料、導電橡膠、導電纖維織物、導電涂料、導電膠粘劑以及透明導電薄膜等。常用的導電填料有炭黑、金屬粉、金屬箔片、金屬纖維、碳纖維等。

（2）結構型高分子導電材料：是高分子結構本身或經過摻雜之后具有導電功能的高分子材料。根據電導率的大小將其分為高分子半導體、高分子金屬和高分子超導體三類。按照導電機理可分為電子導電高分子材料和離子導電高分子材料兩種。目前這類材料存在穩定性差等問題，尚未進入實用階段。

三、導電纖維的性能

導電纖維最主要的性能就是防靜電的作用。它之所以能夠防靜電，一方面是由于導電纖維可以在較短的時間里快速地將靜電進行分散處理，另一方面導電纖維還可以有效地阻止靜電在某一處的累積。在此基礎上，導電纖維還能向大氣進行靜電的外放。在導電纖維不接地的時候，通常是利用電暈的方法進行靜電的外放。這種方法對于減弱靜電帶來的危險有很顯著的作用。而當導電纖維接地時，不止有電暈進行放電，還有一部分的靜電通過導電纖維進入大地，從而更大程度上減小了帶電量。

四、導電纖維的應用

1.防電磁輻射紡織品

在21 世紀，手機、電腦已經成為我們生活中的必需品，無論是成年人還是青少年都紛紛陷入網絡之中。然而，我們的工作、生活又都離不開電子產品，所以我們應更加關注電磁輻射的危害。漸漸地，電磁輻射防護服裝就出現在了市場中，得到了大多數人的認可[6]。

想要防止靜電的產生，就要減弱原電磁場的輻射。電磁屏蔽就是防電磁輻射的主要方式。電磁屏蔽的原理是運用低電阻率的導電材料對電磁流具有的反射和引導作用，在導體的材料內部產生與原磁場有差異的電流和磁極化，從而打造出了現在的防電磁輻射紡織品。

2.抗靜電紡織品

靜電一直困惑著我們，而紡織材料產生靜電的原因不僅僅是我們皮膚干燥，最主要的原因就是紡織原料之間發生的摩擦。為解決這個問題我們研發出來了抗靜電面料。現階段抗靜電紡織品的種類有PAN-PANI 有機抗靜電纖維、Ascend[10]、PMMA 基抗靜電納米纖維。該類織品大多是用導電纖維制成的具有抗靜電效果的工作服，適用于多種場合，也適合用制作無塵無菌服。

3.傳感器紡織品

智能紡織品達到智能化的中樞部分就是傳感器，柔性傳感器具有柔軟、可彎曲拉伸等特質，并在可穿戴方面的智能紡織品中施展著不可磨滅的作用。傳感器紡織品是利用靈活的導電纖維通過電子傳感器的原理制成的，并且具備輕便易攜帶的優點，廣泛地應用于各個領域。在日本太陽產業公司的產品中就有所體現，他們用碳纖維建設了檢測最大應變的傳感器，可用于建筑物、道路、工廠、飛機、索道等布局的安全檢測。

五、導電纖維的發展前景

從當前的近況來看，我們應該首先研發兩種類別的品種：第一類，適用于民用紡織品所需的金屬化合物復合白色高電導有機導電纖維；第二類，適用于特別功效的紡織品（如無塵無菌防爆工作服、電磁屏障織物等），需要炭黑涂敷或炭黑復合的高電導有機導電纖維。

盡管導電纖維的制造成本有些高，但在織物中它的混用比例少，成效顯著，在民用與工業用上都有極其廣闊的發展前景。