导电纤维的发展现状及应用前景_丁长坤

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导电纤维的发展现状及应用前景

丁长坤,程博闻,任元林,康卫民,张金树

(天津工业大学,天津300160)

[摘要]　综述了导电纤维的分类和制造方法,介绍了导电纤维的国内外研究进展和用途,预测了导电纤维的市场前景。

[关键词]　导电纤维;制造方法;研究进展;应用

[中图分类号]TS102.52+8　[文献标识码]A　[文章编号]1003-1308(2006)03-0032-09

1　引　言

人类对静电现象自古就有所观察和研究,但直至20世纪中期,随着工业生产的发展,因静电造成的事故日益增多,静电的作用和危害才引起各国研究机构和学术组织的重视。

近年来,随着计算机、电信、微波炉等的迅速发展和普及,人类生活、工作环境中的电磁辐射日渐严重,因而产生的电磁波干扰对电子仪器设备的正常工作及人类的生理健康带来了很多负面影响。为了防止静电干扰和电磁波干扰,从20世纪中期至今,人们已开发出各种抗静电产品和电磁屏蔽材料。近几十年,研究的重点又更多地转向了导电纤维。由于导电纤维的抗静电效果显著而持久,且不受环境湿度的影响,当导电层达到一定厚度或导电成份达到一定比例后,就具有优良的电磁屏蔽功能,因此导电纤维的研制和应用越来越受到重视。

导电纤维是通过电子传导和电晕放电而消除静电的功能性纤维。通常是指在标准状态下(20℃、65%相对湿度)、比电阻在107Ψ·c m以下的纤维。导电性能优良的纤维,其比电阻在102～105Ψ·c m,甚至小于10Ψ·cm,而此时涤纶的比电阻大约为1014Ψ·cm,腈纶为1013Ψ·cm,丙纶为6.5×1015Ψ·cm。由于导电纤维的比电阻值远低于普通纤维,同时电荷半衰期很短,因此导电纤维在任何情况下都可以在极短的时间内消除静电。另外,用导电纤维制成的导电织物,还具有优异的导电、导热、屏蔽、吸收电磁波等功能,广泛应用于电子、电力行业的导电网、导电工作服;医疗行业的电热服、电面、电热绷带;航空、航天、精密电子行业的电磁屏蔽罩等方面[1]。

2　导电纤维的分类和制造方法

2.1　金属系导电纤维

这类纤维是利用金属的导电性能而制得的。主要方法有直接拉丝法,即将金属线反复通过模具进行拉伸,制成直径4～16μm的纤维。主要的金属种类有不锈钢、铜和铝等。其他类似的方法还有切削法,即将金属直接切削成纤维状的细丝。金属纤维一般不单独使用,而与普通纤维混纺制成导电性织物。

[收稿日期]2006-08-28;[修订日期]2006-09-06

另一种方法是金属喷涂法。它是将普通纤维先进行表面处理,再用真空喷涂或化学电涂法将金属沉降在纤维表面,使纤维具有金属一样的导电性。

金属系导电纤维的导电性能接近于纯金属,是导电性能最好的一种纤维,其体积比电阻只有10-4～10-5Ψ·c m ,用但纤维的手感比较差,抱合困难,纤维的混纺不能匀化,因而限制了它的进一步推广和使用。另外,喷涂法和沉降法制得的导电纤维牢度一般,目前民用的导电纤维生产大都不采用这两种方法。

2.2　碳黑系导电纤维

利用碳黑的导电性能来制造导电纤维,这是一种比较古老而普遍的方法。该方法可分为以下三类:

(1)掺杂法

将碳黑与成纤物质混合后纺丝,碳黑在纤维中成连续相结构,赋予纤维导电性能。这种方法一般采用皮芯复合纺丝法,既不影响纤维原有的物理性能,又使纤维具有了导电性。

(2)涂层法

涂层法是在普通纤维表面涂上碳黑。涂层方法可以采用粘合剂将碳黑粘合在纤维表面,或者直接将纤维表面快速软化、并与碳黑粘合。这种方法的缺点是碳黑容易脱落,手感亦不好,碳黑在纤维表面不易均匀分布。

(3)纤维炭化处理

有些纤维,如聚丙烯腈纤维、纤维素纤维、沥青系纤维等,经炭化处理后,纤维的主链主要为碳原子,从而使纤维具有导电能力。采用较多的方法,还是丙烯腈系纤维的低温炭化处理法。

2.3　导电高分子型纤维

高分子材料通常被认为是绝缘体,而上世纪70年代聚乙炔导电材料的研制成功却打破了这种传统观念。之后,又相继诞生了聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等高分子导电物质,人们对高分子材料导电性能的研究也越来越广泛。

利用导电高聚物制备导电纤维,主要方法有以下两种:

(1)导电高分子材料的直接纺丝法

直接纺丝法一般采用湿法纺丝,如将聚苯胺配成浓溶液,在一定的凝固浴中拉伸纺丝。这里聚苯胺的制备,是苯胺在酸性介质下,用氧化剂(如过硫酸胺)氧化聚合的。采用的溶剂有N -甲基-2-吡咯烷酮(NMP )、LiCl NMP 、N ,N ′-二甲基丙脲(DMPU )或浓H 2SO 4,日本已有这种产品。

聚苯胺的合成机理比较复杂,目前尚不十分明确,且聚苯胺的导电性能与其他物质的掺杂很有关系,如中性的聚苯胺是绝缘体,掺杂质子酸后即能导电,目前这方面的研究仍在进展中。由于聚苯胺纺丝的溶剂都是非常用的有机溶剂,目前已有专门的研究,以解决普通溶剂的可溶性问题,采用的办法有:①质子酸掺杂;②结构修饰;③聚苯胺复合衍生物;④聚苯胺胶体微粒。

(2)后处理法

后处理法主要是在普通纤维表面进行化学反应,使导电性高分子吸附在纤维表面,从而使普通纤维具有导电性能,这里以聚苯胺为例介绍合成方法。如前所述,聚苯胺的聚合机理十分复杂,其导电性与掺杂剂很有关系。杭州蓝孔雀化学纤维股份有限公司王雪亮[2]

曾对表面反应进行了专门的研究,发现当使用掺杂剂不同、介质不同,甚至当使用纤维的品种不同时,得到的结果经常是大相径庭。一般而言,聚苯胺较易沉积在极性纤维的表面,首先为PAN 纤维,其次为PA 纤维;而PET 纤维必须进行预处理,在增强表面极性的基础上才能使聚苯胺沉淀在表面。令人费解的是,纤维素纤维表面无法沉积上聚苯胺。有文献解释为:含氮元素物质的存在有利于聚苯胺的沉积,同时含氮物33《纺织科学研究》

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质也是很好的掺杂剂。这类导电纤维的制备方法,是先将普通纤维在苯胺酸性介质中浸渍,为了使苯胺往纤维内部渗透,可加热或加入纤维的溶胀剂,并加入含铜离子的催化剂;经浸渍后的纤维,再浸入到氧化剂溶液中,纤维表面的苯胺能快速聚合,纤维的颜色立即由褐色变成浅绿色,进而变成墨绿色,导电性能亦以墨绿色纤维为最好。如果苯胺中不加酸性物质,纤维表面经氧化处理后,颜色为褐色或古铜色,导电能力较差,甚至无导电能力。

后处理方法的另一种类似方法是蒸气法。利用苯胺的挥发性,先将纤维或织物在含铜离子溶液中浸泡,然后在苯胺蒸气和浓HCl气氛中放置,纤维表面能吸附上苯胺并发生聚合之后,形成导电层。由于苯胺的蒸气毒性较大,这种方法(相对前面一种方法)的使用前景较差。

目前已有文献报道,用苯胺衍生物代替苯胺,以便将各类纤维或织物,特别是致密结构或极性较小的纤维制成导电纤维。虽然这类导电纤维的手感很好,但其导电能力与环境的影响因素很有关系,且导电能力会随着时间的延长而缓慢衰退,这可能亦与掺杂剂与聚苯胺的分离有关。

2.4　金属化合物型导电纤维

许多金属化合物都具有很好的导电性能,利用它们来生产导电纤维目前已成为一种时尚。这些金属化合物一般都含有铜、银、镍和铬的硫化物或碘化物,而使用最多的是铜的硫化物和碘化物。硫化铜、硫化亚铜和碘化亚铜都是很好的导电性物质,利用这类导电化合物制备导电纤维时,共有三种方法。

(1)混合纺丝法

这种方法与前述的碳黑方法一样,是将导电性物质与成纤高聚物混合,再纺丝成皮芯层结构。这种方法适合用于加工各类合成纤维,如可将CuI、表面涂有TiO2的SnO2等导电性物质,与改性PE T混合作为“芯层纺丝”。

(2)吸附法

这里的吸附法有两种机理,一种是常规吸附,与前述的碳黑吸附类似,可以通过粘合剂将导电化合物与纤维表面粘合。纤维可以是强极性的,也可以是弱极性的,或是致密结构的,如PE T。另一种是通过金属离子与纤维络合吸附,特别是含氮的纤维,如PAN。被吸附的化合物有CuS、CuI 等,具体处理方法有高温煮染法,如将含氮的纤维在高压、110℃蒸气处理后,再涂上CuS,得到的纤维体积比电阻达到1×101Ψ·cm;或者将纤维直接在CuS溶液中高温高压共煮,由于CuS在水中的溶解度很低,必须加入纤维的溶胀剂、掺杂剂,这样就能得到导电性能较好的导电纤维。由于导电性物质与纤维之间以络合形式结合,故导电层的牢度较好。

(3)化学反应法

这种方法主要通过化学处理,即通过反应液的浸渍,在纤维表面产生吸附,然后通过化学反应使金属化合物覆盖在纤维表面。在目前的文献中,这种方法使用的较多。在20世纪80年代,日本就研制成这类导电纤维。有人还专门对导电成分及导电机理进行了研究,如日本研制的Cu9S5导电腈纶,是先将腈纶在含铜离子溶液中处理,然后在还原剂中处理,纤维上的Cu2+变成Cu+与—C N 络合,进一步形成Cu9S5的导电性物质,体积比电阻达到8.2×10-1Ψ·cm。由于这些导电物质在纤维结构上形成了网络,故导电性能很好。

PAN纤维上的—C N基能与Cu+产生络合,使纤维具有导电性;而对于无—CN基的其他纤维,导电物质就无法与纤维发生络合,因此影响了纤维对金属化合物的吸附和吸附牢度,故无法制得导电性能优良的纤维。目前已有文献报道,用PET、PA制得的导电纤维,其比电阻也能达到PAN导电纤维的水平,其关键是提高铜的硫化物在纤维表面上的吸附。

3　导电纤维的研究进展

导电纤维产生于20世纪60年代末期,日本帝人公司、德国B ASF 公司等率先开发了表面涂敷碳黑的有机导电纤维。此后,以普通合成纤维为基体,通过物理、机械、化学等途径,在纤维表面涂敷固着金属、碳、导电高分子等导电物质的方法出现过许多种。此类导电纤维可获得较低的电阻率,导电成分都分布在纤维表面,放电效果良好,但缺点是在反复摩擦和洗涤之后,皮层导电物质较易剥落。目前应用较广的碳黑涂敷型有机导电纤维,电阻通常在103

Ψ·cm 。

1975年,美国Du Pont 公司采用复合纺丝技术,制成含有碳黑导电芯的复合导电纤维Antron Ⅲ。从此,各大化纤公司纷纷开始对碳黑为导电成分的复合纤维进行研究与开发。孟山都公司制成并列型Utron 导电纤维;钟纺公司开发了Belltron 锦纶导电纤维;尤尼吉卡公司开发了Megana 导电纤维;可乐丽公司开发了Kuracarbo ;东洋纺公司开发了KE -9导电纤维。这一时期,碳黑复合型导电纤维得到了广泛的发展,到20世纪80年代末期,日本碳黑复合型导电纤维的年产量达到了200t 。其复合结构有皮芯结构、单点或多点内切圆结构、三明治式夹心结构、共混结构等。由于碳黑或金属化合物在复合结构中受到保护,故有良好的耐久性,也是目前应用最广的结构形式。其差别在于,对碳黑复合纺丝导电纤维有较低的电阻率,对金属化合物复合纺丝导电纤维有较好的品种适应性,但是,由于碳黑复合型导电纤维是以碳黑为导电成分的,因此纤维通常为灰黑色,使应用范围受到限制。

自1977年美国科学家A .F .Heeger 发现聚乙炔经掺杂后有明显导电能力以来,聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等导电聚合物都有了迅速的发展。目前加碘聚乙炔的导电能力已达到室温下金属铜的水平(10-4Ψ·c m ),但导电聚合物目前尚难应用于纺织品,其原因在于主链中的共轭结构使分子链僵直,不溶、不熔,难以纺丝加工;某些导电聚合物中的氧原子对水极不稳定;某些导电聚合物的单体有毒且被怀疑是致癌物质,某些掺杂剂多有毒性;复杂的合成工艺,也使其制造成本昂贵。只有聚苯胺可以使用N -甲基-2-吡咯烷酮(NMP )、二甲基丙烯脲(D MPU )、浓硫酸等溶剂,采用湿法纺丝或干湿法纺丝直接加工成导电纤维,但因NMP 价格昂贵,浓硫酸的腐蚀性又对设备提出了苛刻的要求。聚苯胺在导电态是不能熔融的,目前正在研究聚苯胺塑化后熔融纺丝的方法。

20世纪80年代,人们开始了导电纤维的“白色化”研究。白色导电纤维是以金属或半导体为导电物质、与高聚物进行复合纺丝的,所得纤维的颜色比黑色导电纤维浅,故而得名“白色导电纤维”。如Rhonepoulence 公司利用化学反应制成CuS 导电层的Rhodiastat 导电纤维;钟纺公司制成SnO 2导电的Belltron632、Belltr on638;尤尼吉卡公司开发了Megana 。帝人公司以碘化亚铜为导电体,开发了T -25白色导电涤纶纤维。东洋纺公司运用复合纺丝技术,生产了“E mina -W ”。该纤维是以100%金属为芯,以涤纶为皮,据称为首次使用具有不同粘度的金属与涤纶丝进行复合纺,也是第一种用涤纶包100%金属芯的长丝产品。“E mina -W ”主要用于工作服,另外还用于外套、运动服、座垫、床单、窗帘等服装和装饰织物。“E mina -W ”纤维具有“自我修复”功能,因金属为低熔点合金,如在加工过程中断线,在以后的热处理过程受热,就会熔融连接。虽然在现阶段,以金属化合物或氧化物为导电物质的白色导电纤维的导电性能较碳黑复合型导电纤维差,但其应用不受颜色的影响。

1989年,美国的R .V .Gregory [3]以锦纶或涤纶为基质,采用“现场”吸附聚合法,使苯胺在基质纤

维表面发生氧化聚合反应,聚苯胺均匀地沉积在基质纤维表面,并能有效地渗入到纤维内部,使纤维导电性能持久良好。“现场”聚合法制备导电纤维,既可赋予纤维耐久的导电性,又可较好地保持基体纤维的物理机械性能,是目前制备导电纤维常用的一种方法。

在20世纪90年代后,日本的各公司(如钟纺、帝人、东丽、可乐丽等)都进行了导电纤维系列研究。东丽公司开发出高白度导电复合纤维;可乐丽公司开发出由碳黑和热塑性弹性体组成的具有35《纺织科学研究》

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永久导电性能的合成共扼纤维,还开发了用于军装和工作服的白色抗静电聚酯长丝纱。用此纱制成的织物,不仅具有优良的抗静电性能,还具有和普通衣料一样优良的手感,并具有优良的染色性、强度、抗洗涤性和耐化学性。ICI公司的聚酯纤维Epitropic,采用皮芯结构,以聚对苯二甲酸乙二酯为皮,对苯二甲酸乙二酯和间苯二酸酯的共聚物为芯,皮层的熔点比芯层低35℃,通过适当的热处理,在不使芯材熔融的条件下使皮层变软,将碳粒子嵌入其中,使碳粒子成为纤维结构的一部分。Epitropic具有良好的导电性,广泛用于制作过滤织物,尤其用于干过滤。钟纺公司开发了夹心结构导电聚酯纤维Belltron,以碳为芯,外边两层基质可以是涤纶和尼龙。这种纤维的导电性好,有优良的耐洗性、耐磨性。在制织地毯等织物时,只要混入少量B elltron纤维,织物就具有优良的抗静电性能。

法国纤维制造商R-Start公司有20多年生产纺织品的经验,专门开发生产出一种多功能导电纤维[4]。这些产品由尼龙或聚酯组成,它们被涂上一薄层硫化铜,从而能导电和抗菌。根据产品的种类,其电导率可分别达到102～105S cm,并且铜还能阻止细菌生长。这些纤维和纱线可应用于地毯、飞机用毡、工业用非织造布、过滤介质和防护服等场合。为了提供全范围的织物静电控制,公司已设计了一种新的超细不锈钢导电纤维(8～12或22μm)。它结合了短纤、条子或细纱(1Ψcm～102Ψcm),具有较高的耐热性(600℃以上)、良好的耐化学处理或腐蚀性、以及良好的耐磨性。

Milliken研究公司用聚苯胺或吡咯溶液处理聚酯织物,所得纤维手感硬,颜色黑灰,抗静电性不耐久。为此他们进一步改进了技术,将聚酯置于苯胺的酸性溶液中,以钒化合物作催化剂,有效地控制聚合速度,只让织物表面的苯胺发生聚合,并被织物吸收,防止苯胺单体在溶液中大量聚合并沉淀到织物上。因为这些沉淀聚合物不仅对抗静电性没有贡献,反而会破坏织物的手感。这种方法处理后的聚酯织物为淡绿色,导电性良好、耐久。日本专利报道了一种方法,利用等离子体对聚酯纤维进行辐照后,再用不饱和羧酸或酰胺与聚酯接枝聚合,所得纤维具有良好的吸湿性和抗静电性。用紫外线对聚酯织物进行表面改性,再与非离子型、阳离子型或阴离子型等水溶性物质进行接枝共聚,聚酯的抗静电性有明显改善,织物的手感没有变化。将聚酯纤维用小于300nm波长的紫外光辐射,使纤维表面产生羧基,进而将纤维与Ti或Zr化合物键合,所得聚酯纤维的抗静电性好,耐磨、耐水洗。

我国从上世纪70年代就开始进行抗静电纤维的开发研究,在80年代初,上海合成纤维研究所和江苏省纺织研究所双双取得抗静电锦纶、抗静电涤纶等的小试成果,并通过了纺织部的技术鉴定。之后,江苏省纺织研究所又开发成功了含碳黑导电纤维,并进行了小规模工业化生产,而且最终嵌织制成织物,在无尘衣领域推广应用。中国纺织大学、华东理工大学等单位研究了添加型抗静电腈纶,山西榆次化纤厂曾批量生产;中国纺大还用导入金属盐和聚吡咯的方法制得了导电腈纶。浙江大学、浙江省冶金研究所与杭州蓝孔雀化纤集团股份有限公司,联合开发了一种镀复合导电涤纶。它用普通PET作为基体,在其表面镀上一层聚丙烯腈,再在聚丙烯腈上镀复导电的Cu2S,制得具有与普通PE T基本相同物理性能的导电纤维。该纤维的导电性能持久,由其纺成的38支纱的比电阻可小于100Ψ·c m;北京服装学院在上世纪80年代初已经开发成功并已形成一定生产规模,山东合纤所与华南理工大学采用共混技术,成功研制了抗静电丙纶[5]。近几年,东华大学[6]采用聚苯胺为导电剂,使之与尼龙11共混纺丝制得导电尼龙;杭州蓝孔雀化学纤维股份有限公司则采用后处理方法,制造导电锦纶[7]。中国纺织科学研究院等也进行了抗静电涤纶的研究和开发,但未形成规模化生产。

目前,国产导电纤维的研究仍还处于起步阶段,现在全国共有三家单位在生产经销含碳黑导电纤维(包括锦、涤纶短纤和长丝)。它们分别是:a.深圳新纶公司(原属中国化纤总公司);b.无锡江

苏省纺织研究所,自80年代沿续生产至今,规模扩大不多;c .苏州工业园区新纶公司(原属中国化纤总公司)。这3个单位年生产能力约10t ,销售价格约1000～2000元 kg 。据有关专家分析,我国目前导电纤维年需求量约50t ,故每年尚需进口30～40t 。根据批量供货能力和意愿,现在我国进口

导电纤维主要来自三家公司[8]:a .德国B ASF (巴斯夫)公司的碳黑涂覆型导电锦纶;b .美国Solutia

(首诺)公司的碳黑复合型导电锦纶66;c .日本钟纺公司碳黑复合型导电锦纶“Belltron ”、金属化合物复合型白色导电涤纶或导电锦纶。

近年来,随着纳米技术的迅速发展,有人已经研究出纳米导电纤维[9]。它是由纳米铜粒子催化乙炔聚合产物,经真空相变后制得的一种微观形态为纤维状的产物,其直径为200～400nm ,且具有较高的导电性。

导电纤维虽然制造成本高,但因其在织物中的混用比例少,导电效果明显,在民用与产业用上都有极为广阔的发展前景,在当前我国差别化纤维的研究开发中理应占据重要地位。

4　导电纤维的用途及市场前景

合成纤维在使用过程中易产生静电,对工业生产和人民生活都会带来危害。随着高科技的发展,静电危害所造成的后果已不仅仅限于安全问题。静电放电造成的频谱干扰危害,是在电子、通信、航空、航天以及一切应用现代电子设备、仪器的场合,导致设备运转故障、信号丢失、误码的直接原因之一。在石油、化工、精密机械、煤矿、食品、医药等行业,均对静电防护有特殊的要求。因此,采用抗静电导电性织物、薄膜、薄板等复合材料,或者导电性塑料填料屏蔽电磁波,防止静电带电、静电效应等,将有利于减少静电危害。导电纤维广泛应用于纺织品、通用工程、耐热工程塑料、汽车制造、运动器材、航空及宇航等方面。

在大规模集成电路等一些现代工业的研究和生产过程中,往往由于操作人员服装上带有静电荷而沾上尘埃,造成集成电路短路、元件击穿、精密仪器误动作甚至失灵等情况,大大降低了集成电路的制成率,使得集成块的集成度难以提高。因此,随着一些尖端电子工业的发展,如何消除静电就显得更为重要。

随着微电子、精密加工、生化制药技术的突飞猛进,对无尘、净洁车间的要求也越来越高,因而高质量的无尘、无菌服异军突起。无尘服、无菌服对面料的要求很高,一般采用涤纶长丝与导电丝交织而成。这类织物中,导电丝根据要求可采用0.5c m 间距经向条状织入,或经纬向0.5cm ×0.5cm 方格状织入。该类织物的密度较高,电荷密度一般要求小于4μC cm 2

,摩擦电压小于1000V 。用这类面料做成的服装,在使用过程中本身不产生尘埃,同时还要起到将屏蔽内衣中的微尘散发到外界环境中去的作用。无尘服的种类较多,一般可分为10级、100级、1000级及10000级,数值越小,档次越高。

导电纤维可用于电磁波屏蔽和吸附材料。日本用表面敷铜的导电纤维“桑达纶SS -N ”混纺或做成非织造布,现已大量用于抗静电及电磁波屏蔽和吸收材料,如用作轮船的电磁波吸收罩等,可防止雷达信号产生叠影。利用导电纤维对电磁波的屏蔽性,可用作精密电子元件、电子仪器、高频焊接机等电磁波屏蔽罩,作为特殊要求房屋的吸收无线电波的贴墙布,或航空、航天部门的电磁波屏蔽材料。用化学镀或电镀法制得的导电布,有较强的屏蔽微波作用,或者再复合一层电磁波吸收层,即可用于从事雷达、通讯、电视转播、医疗等工作人员的有效防微波工作服。此外,若将3%～8%的碳纤维、金属铜纤维或混有镍纤维的玻璃纤维,均匀地分散在聚苯乙烯或其它热固性塑料中,可制成有很好屏蔽电磁波性能的薄膜,并可改善薄膜的导电性能和机械性能。当消防服中含有导电纤维时,这些导电纤维可将电信号从输入装置传送到适当的输出装置。37《纺织科学研究》

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当消防人员在集中精力对付面前的火焰、但身后又面临着增大的火焰威胁时,一个埋在服装后背的导电纤维传感器会及时提醒他,使其避免灾难。

由于尼龙BCF地毯的染色性能好,回弹性优良,因此主要用于高级宾馆、高级轿车及高档办公室内作铺设材料。但尼龙地毯经摩擦后,很容易起静电,特别是在低湿度情况下(如空调房内)更易产生静电。如果人体携带静电后,触摸金属手把,则会感受到强烈的电击作用。另外,人体所带的静电会对办公室自动化仪器造成干扰,使计算机等出错或损坏,因此国外大部分在尼龙地毯中加入了导电纤维。在尼龙BCT地毯中加入导电丝时,可采用全条混或13条混,导电丝可采用网络、加捻等混入方法。这样制得的尼龙B CT地毯,其人体电位一般可控制在3kV以下。

有机复合导电纤维不仅已用于产业用化纤材料之中,同时在民用服装中也得到了广泛地应用。例如鄂尔多斯羊绒集团与日、德、意、美等国科研设计大师合作,运用有机复合导电纤维和高科技纳米技术,成功地研制出永久性防静电羊绒可机洗系列制品,取得了服装领域的重大技术突破。

自20世纪70年代末以来,导电聚合物的快速发展为传感器的技术进步奠定了基础。目前,已经实现导电聚合物单独或与光纤传感器结合,用于温度、压力、电磁辐射、化学物质种类和浓度的检测。近年来,由英国Durha m大学研制出的导电聚苯胺纤维具有半导体的特性,电导率高达1900S c m,可以作为传感器使用。由美国Milliken研究公司发明的聚吡咯涂层纤维技术,通过气相沉积或溶液聚合的方法,将导电的聚吡咯涂层在纤维表面制成织物传感器。意大利Pisa大学的De Rossi[10]将聚吡咯涂层在莱卡纤维表面制成智能手套,当手指弯曲或伸展时,莱卡纤维产生应变,从而使聚吡咯的导电性能产生变化;通过记录和分析电信号的变化,可探测出手指的运动情况。欧盟Electr o Textiles公司于1999年利用导电纤维技术开发了压力敏感织物,这种织物可以准确地探测出受压力的部位。

美国研制的变色军服是在织物中加入导电纤维,通过控制温度使“热变色油墨”发生变化的,从而使军服颜色根据外界环境色作相应变化,成为一种环境反应性伪装色[11]。我国在2000年为全军装备的99式新一代衬衣,采用了有机导电纤维作为抗静电材料,其使用效果良好。

现今,许多导电纤维都已被用于制造织物传感器,如金属(不锈钢)纤维、碳纤维、导电聚合物纤维、导电聚合物涂层纤维等。日本太阳工业公司用碳纤维开发了检测最大应变的传感器,可用于建筑物、道路、工厂、飞机、烟囱、索道等结构安全的诊断[12]。美国麻省理工学院的研究人员用不锈钢纤维在织物上刺绣出不同的电路,可以织成织物软键盘[13];通过将导电纤维和绝缘纤维纱线的交替编织,制成可测压力的织物。这种织物由三层组成,上下两层是电阻率为10Ψcm的金银线与普通纱线的交织织物,中间是起隔离上下两层织物作用的、较为稀疏的尼龙网。当在织物上施加压力时,上下两层织物通过尼龙网的空隙实现接触,由此引起电信号的变化。

近年来,有关智能服装的研究非常活跃,如导电纤维就是智能服装的重要原材料之一,而Philip 公司已经开发出了音乐夹克、音乐键盘和运动夹克等系列产品,并通过将移动电话与服装相连接,实现服装的电子化和数字化。其中,运动夹克利用织物受拉伸后导电纤维导电性能的变化,来探测手臂的运动情况,研究人员估计这种服装在姿态矫正方面也会有市场。近年来开发的类似产品,还有芬兰的智能服装(Smart Clothing),原型具有通讯、导航、使用者监测环境以及电加热四项功能,其第一代夏季产品已在2001年夏天推出;比利时Starlab的智能服装(I-WE AR)由多层构成,其中之一是传感器;德国FAC服装设计公司推出的智能服装中,集成了手机、录音机、MP3和GPS系统的功能[14]。

由美国Biokey公司开发的智能绷带,将多种传感器植入织物中,可以探测细菌数量、湿度和氧气浓度等,并记录在电脑中,为治疗方案的改进提供依据。由塑料光纤和导电纤维编织而成的“智

能T恤”,可以协助医务人员监测病人心跳、体温、血压、呼吸等生理指标,也可由监测人员了解和掌握运动员、宇航员、飞行员等的身体情况;还可制成婴儿睡衣监测婴儿呼吸,防止婴儿在睡眠时因窒息而死亡[15]。

目前,对高度刺激能产生智能响应的纤维和纺织品的研究和开发,已引起人们极大的关注,一些专家将智能纺织品(smart textiles)看作是纺织服装工业的未来。智能纤维就是能够感知所处环境的变化(如机械、热、化学、光、温度、电磁等),并随之做出敏锐响应(发生突越性变化)的纤维。目前智能纤维中的光导纤维、导电纤维、变色纤维、形状记忆纤维、调温纤维及选择性抗菌纤维等,都已实现了规模化生产。

碳纳米纤维(C NF)的纤维状碳的长度直径比超过100,直径在0.5～100nm范围内,其模量比普通碳纤维高10倍,有比铜更强的导电和导热能力,其用途包括燃料电池的电极、各种放电器件、扫描隧道显微镜的探头、复合材料等,目前已成功地应用于锂离子电池的电极,可延长放电周期[16]。特别是帝人公司开发的索富特雷格(商品名SOLLUTERE TUGU),用途广,现在正部分取代镍丝(电阻率10-5Ψ·c m)和碳帘子(电阻率10-1Ψ·cm)的市场。索富特雷格的电阻率为10-4Ψ·cm,接近于镍丝的电阻率。由于其结构好,同样可纺织成导电性织物。此外,还可制成赛车手手套、熔雪面罩、玻璃热处理用袋子和保温材料等。

近年来,导电纤维的研究和应用已逐渐趋于成熟阶段。导电纤维不仅可以用来消除静电、吸收电磁波,而且还是探测技术中很重要的一个方面。但目前研究和开发的智能导电纺织品,还基本上处于“消极态”材料的阶段,即仅仅能感知外界环境的变化而不能调节自身以适应环境的变化。真正意义上的智能导电纺织品的问世,还需科技工作者做出巨大的努力。

由于导电纤维的加工成本较高,工艺亦较复杂,这在一定程度上限制了导电纤维的生产,也限制了使用和普及,因此目前导电纤维主要应用于高科技领域,而应用于民用的品种还较少。随着人们生活水平的提高和对自身健康保护意识的增强,民用导电纤维的推广使用必然成为趋势,因此导电纤维的加工应向工艺简单、低成本的方向发展。对于服用导电性织物而言,在赋予织物导电性能的前提下,还应进一步优化工艺,以保持纺织品的原有风格,如色泽、手感、悬垂性等,以符合服用要求。有些导电纤维在生产过程中污染问题严重,而且金属化纤维中含有重金属成份,这些都会对环境和人体健康造成一定的负面影响。因此,导电纤维的加工工艺尚需改善,应努力使导电纤维的生产、使用和废弃物的处理都符合生态环保要求。

目前导电纤维的市场价格很高,但由于导电纤维的细度很细,单位织物面积所应添加的导电纤维的量并不大,故添加导电纤维所需的成本并不很高,而具有永久性抗静电和导电功能的织物又具有较高的附加值,其经济效益非常显著。因此,从技术和经济角度考虑,加快我国导电纤维产业的发展步伐和导电纤维的应用开发,具有重大的现实意义。

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与盐酸掺杂聚苯胺的谱图相比,LAS-HCl掺杂后的聚苯胺,在2800～3000cm-1存在明显的长链烷基中C—H伸缩振动的特征峰以及在1032c m-1和1004c m-1处出现的标志SO32-集团的特征吸收峰,且其在低波数的峰形更加明显。这些结果也说明,经LAS-HCl掺杂后的聚苯胺,在结构上应该产生了一些变化,这种结构上的变化可能是影响其热稳定性的主要因素之一。此外,经LAS-HCl 掺杂后的聚苯胺,与十二烷基苯磺酸(DBSA)掺杂的聚苯胺的峰形峰位相符[6],达到了DB SA掺杂聚苯胺的效果。

4　结　论

4.1　从原料易得、反应产率、产物的导电性能等因素综合考虑,用本文方法合成聚苯胺的最佳条件是:L AS与An的摩尔比为1∶1,APS与An的摩尔比约为1.07,反应温度在20℃左右,反应时间6h 最为合适。

4.2　将本文合成的掺杂态聚苯胺与盐酸掺杂的聚苯胺对比,其热稳定性有了很大的提高,其热分解起始温度提高到200℃左右;其在250℃的热失重是2.9%,而在281℃时的质量损失仅为5%。另外,在250℃下真空处理30min,其电导率仅下降了一个数量级,这为聚苯胺的熔融复合纺丝提供了加工的可能。

4.3　由红外谱图分析,经LAS-HCl掺杂的聚苯胺,达到了DBSA掺杂聚苯胺的效果;与盐酸单独掺杂的聚苯胺相比,其结构上应该产生了一些变化,这种变化可能影响到了其热稳定性能。

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