金属特性纤维及其在纺织上的应用研究

2016-05-10张小娜李卫斌赵晓明

纺织科学与工程学报 2016年1期

关键词：金属纤维导电性导电

张小娜，李卫斌，赵晓明

(天津工业大学纺织学部,天津 300387)

金属特性纤维及其在纺织上的应用研究

张小娜，李卫斌，赵晓明

(天津工业大学纺织学部,天津 300387)

摘要：将金属特性纤维进行分类，系统分析了金属纤维、金属化纤维、导电高分子纤维、有机导电纤维和碳纤维的制备、性能及其在纺织品上的应用，最后展望了其发展方向。

关键词：金属特性纤维制备方法性能应用

金属特性纤维是一种兼具金属和纤维特性的高性能纤维，可以赋予纺织品金属的导电或导磁特性，其在纺织品上的应用日益广泛。近年来，随着金属纤维加工技术、纤维表面金属化技术、导电高分子材料等的迅速发展，具有金属特性的纤维在构筑柔性金属特性材料方面起到了关键作用，在不同领域都受到广泛关注。金属特性的纤维，相比于传统纺织纤维，具有金属特性，不仅赋予传统纺织品如金属般的导电、导磁、抗菌等性能，也同时保持了纺织品的柔软特性。其具有纺织纤维特有的轻质柔软性和挠曲性，在柔性轻质金属材料的替代应用方面极具优势。本文介绍了金属特性纤维的种类、特点及制备方法，综述了其在纺织品上的应用，最后展望了其发展方向。

1金属特性纤维的种类、特点及制备方法

金属特性纤维是指具有金属特性的纤维。一是具有金属特性。即纤维具有和金属相似的电磁性能，例如导电性、导磁性等[1]；二是具有纤维特性。即纤维具有较大长径比、良好的挠曲取性、可纺性等[2]。

根据其制备方式和提供金属特性的原理不同，目前主要使用的具有金属特性的纤维可以分为：金属纤维、金属化纤维、导电高分子纤维、基于纺丝加工的金属特性纤维。

1.1金属纤维

金属纤维指采用金属丝材经特殊工艺制成的纤维[3]，具备和其对应金属基本类似的性能，具有良好的导电性能和力学性能，断裂比强度和拉伸比模量较高，能耐高温和化学腐蚀[4]。

根据制备方法，可分为：熔抽法，拉拔法以及切削法[5，6]。

表1　金属纤维制造方法

根据材质可分为：银纤维、镍纤维、铜纤维、不锈钢纤维和铁纤维等。这些纤维导电和导热性能优良，且耐腐蚀和耐磨，但银纤维和铜纤维易氧化[7-10]。

金属纤维可用于电磁屏蔽纺织品、防静电服、抗菌纺织产品、军用伪装网、防雷达遮障布、增强复合材料、过滤材料等，应用较为广泛。

1.2金属化纤维

1.2.1种类及性能特点

金属化纤维是在基质上通过不同方法在纤维表层形成一层金属膜的纤维。常用基质有碳纤维、玻璃纤维和合成纤维如涤纶、锦纶等；镀覆的金属有银、铜、合金等；主要使用化学镀、电镀、磁控溅射、涂层等方法[11]。

1.2.2制备方法

镀覆的方法：化学镀、电镀、磁控溅射、涂层等。

化学镀法其设备简单，控制操作较容易。目前，化学镀纤维的主要是对碳纤维、玻璃纤维和合成纤维等进行镀银、铜、镍和合金等。制备出的纤维导电性优良，强度高，并且耐腐蚀和化学稳定性良好[12]。镀层与纤维结合牢度好且致密均匀，其对纤维本身结构影响较小，且成本较低[13，14]。

电镀法对设备要求较低、操作方便，具有可以连续生产、成本低等特点。利用电镀法对碳纤维镀镍，制备出的纤维的导电性得到提升，电阻率下降，镀层均匀分布，且与纤维结合牢固[12,13]。与化学镀镍方法得到是镍磷合金不同，电镀法得到的镀层为纯净的镍单质，且镀层与纤维结合强度较好[14]。用电镀法在碳纤维的表面镀铜，镀层致密均匀，且与纤维结合牢固[15]。将石墨纤维氧化后进行电镀铜处理，得到的镀铜石墨纤维力学性能优良，镀层均匀连续，导电率和导热率较高[16]。

化学镀与电镀各有优缺点。比如碳纤维镀铜，电镀时会有通过碳纤维的电流不均匀导致镀层不均匀的现象发生。化学镀较电镀分散性好，且与纤维结合牢度好，但是化学镀速度较慢[17]。

电镀和化学镀是纤维表面金属化比较常用的方法，还可以采用溅射方法、离子镀膜方法和金属涂覆方法等物理的方法，但是这些物理方法使用的设备昂贵，且控制条件复杂，不利于产业化发展[15]。

1.3本征导电高分子

本征型导电高分子材料是高分子材料本身或经过掺杂后具有导电性的材料，经过掺杂之后，电导率可达到金属的导电水平[18]。包括聚苯胺(PANI)、聚噻吩(PTh)、聚吡咯(PPy)等。此类材料具有质量轻、环境稳定性及导电性好等优点。但其难溶于有机或无机溶液[19]。若制备纺丝溶液，只能将其溶于浓硫酸或N-甲基吡咯烷酮等腐蚀性较强或价格较昂贵的溶剂中[20]。制得的纤维强度低、脆性大、易碎，使用时耐磨损性能较差[21]。

所以，将本征导电高分子，如PANI、PTh、PPy等经各种加工方法使其吸附在纤维表面，或是将其与成纤高聚物混合后制得复合导电高分子纤维，是改善上述缺点的主要方法。制备方法包括现场吸附聚合法、共混纺丝法、熔融纺丝法、静电纺丝等。

制取复合导电高分子纤维的方法中现场吸附聚合法较为简单，可操作性较强。用此法把本征导电高分子材料吸附于基质的表面，得到的导电纤维既有基质纤维的特性，又具有良好的导电性[22]。如PVA/PANI导电复合纤维导电性好，且表层附着的PANI对纤维结构影响较小，所以纤维的强力基本没有下降[23]。将PPy原位聚合于羊毛纤维可以得到导电性能和服用性能均良好的纤维，并且改善了羊毛的热性能[24]。

共混纺丝法将导电高分子材料与成纤共聚物混合后纺丝，进而制得复合型导电高分子纤维。如在浓硫酸中通过共混法制得的聚苯胺/聚酰胺-11纤维具有较高的导电性能，且纤维的电导率随着聚苯胺含量的增加而提高[25]。

静电纺丝方法得到的纤维比表面积极大，且导电率比较高。如将聚吡咯与腈氯纶混合后用静电纺丝技术制得的纤维结构均匀，热稳定性较好，电导率提高[26]。

1.4基于纺丝加工的金属特性纤维

基于纺丝加工的金属特性纤维包含有机导电纤维和碳纤维。

1.4.1有机导电纤维

有机导电纤维是将炭黑、金属氧化物等可导电物质与一般的高聚物通过共混或复合纺丝方法制得的[27]。这种纤维不仅具有良好的电磁性能，而且易于与其他纤维抱合，耐摩擦和耐腐蚀性能良好[28]。如炭黑/聚氨酯共混导电纤维的导电性和耐水洗性优良，但炭黑型有机导电纤维的颜色多为灰黑色，限制了其在纺织产品中的使用[29]。将TiO2与聚酰胺纤维混合造粒，经熔融纺丝制成的有机导电纤维具有良好的导电性能，导电粒子不易脱落，耐磨性和耐弯折性能较好[30]。

1.4.2碳纤维

碳纤维是碳元素的含量占90%以上的纤维。碳纤维质地较柔软，可加工性高，在纺织品领域应用广泛[31]。

碳纤维属于轻质、高强、高模、耐高温的高性能纤维，其导电性良好，防辐射性能、耐化学腐蚀和耐磨性能优良，热膨胀系数较小。缺点是碳纤维缺乏韧性，耐弯折性能较差，价格较高，在日光下容易老化[32]。

2在纺织品中的应用

2.1在电磁屏蔽织物中的应用

比较常见制备电磁屏蔽纺织品的方式是将金属纤维或金属化纤维与普通纤维进行混纺、交织、并线等[33，34]。此类纺织具有质地柔软，吸湿透气性好和耐洗涤等优良的服用性能[35]。如K. B. Cheng等人使用不同比例混纺成的不锈钢纤维/涤纶纤维纱线织成的织物进行测试，发现频率范围在300kHz～3GHz时，屏蔽效能达20dB～40dB，电磁屏蔽效果良好[36]。Das A等人通过研究发现纯不锈钢纤维制成的织物要比不锈钢纤维/涤纶混纺纱线制成的织物屏蔽效能好[37]。

导电高分子纤维在防护织纺织品中应用也较多。左桂兰等制备的PANI纳米纤维在频率为8.2GHz～12.4GHz时，电磁屏蔽效果为19.6dB～33.8 dB。Erdogˇan M K等制备的PTh/PET纤维，在0～100MHz频率范围内，屏蔽效能可达21dB23。

碳纤维电阻率在1×10-4Ω·m～1×10-5Ω·m之间，主要通过反射作用屏蔽电磁波。在碳纤维表面形成一层导电膜，如通过镀金属和沉积石墨碳粒等方法对其进行处理，可以提高其电磁屏蔽效能[38]。

2.2在抗菌纺织品上的应用

抗菌指利用化学或者物理方法消灭细菌或者阻止细菌生长繁殖的过程[39]。

银系纤维具有良好的光谱抗菌性，而且不易产生抗药性[40]。林玲等人研究发现银纤维对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的杀灭作用强烈，能使细菌分解[41]。导电高分子材料中聚苯胺也具备抗菌性能。将聚苯胺利用原位复合法沉积到棉纤维表面，织成的织物能减少95%的革兰氏阳性细菌和85%的革兰氏阴性细菌，而且还具备良好的抗真菌性[42]。

2.3在智能纺织品上的应用

柔韧性较好的具有金属特性的纤维应用于导电织物具有轻便易携带、服用性能好、导电性能优良等优点。近年来，导电织物在织物电极、可穿戴天线、织物键盘等方面的应用也成为了研究热点。

2.3.1织物电极

织物电极代替传统粘性电极在心电监测系统等方面的应用具有明显优点，如织物电极对皮肤刺激性较小，其质轻、柔软、弹性好、穿着舒适[43]。邹海清在某公开专利中阐述了一种织物电极，其为分层结构，包含层叠的导电织物层和打底织物层。导电织物层是由镀银涤纶纤维和普通纤维混纺而成的纱线织成的织物，这种织物电极导电性能和舒适性较好，且银纤维具有抑菌作用[44]。另外，也可直接在织物表面聚合吡咯，其织物电极既具备织物舒适、柔软的特点，也具备聚吡咯高导电、质轻的优点[45]。

2.3.2导电天线

可穿戴天线是一种可植入于衣物内的电子设备，多用柔性材料或纺织材料制作而成，其不仅有柔软、舒适、透气等优点，而且还便携、易共性，在保健医疗领域、军事领域、消防领域等有着广泛的应用[46，47]。如Ivo Locher等人研究了镀镍织物、镀银纤维织成的针织物、镀银铜镍纤维织成的机织物三种织物制成的可穿戴天线的贴片部分，发现镀银铜镍纤维织成的机织物最适合应用于织物天线，因其能持续导电，表面电阻率符合要求，且弯曲时电阻大小相同[48]。俞梦杰等人采用镀铜镍的聚酯纤维布作为可穿戴天线的辐射贴片，其有良好的柔软性能和耐磨性能[49]。英国研究出一种用纳米银涂层的聚酰胺纱制造的织物天线，其灵活轻便，防水舒适[50]。可穿戴天线可集成于衣物上，具有一定的隐蔽性，同时天线对人体辐射较小，将是今后研究热点。

2.3.3织物键盘

织物键盘是基于织物的输入设备，具备了织物的柔软、可弯折、洗涤方便等优点，又具备噪声较小、方便灵活等优点[51，52]。

织物键盘核心部分是导电织物层，这部分表面电阻的均匀性和一致性的要求较高，一般采用金属纤维或金属化纤维[53]。如美国的研究员研制了一种织物键盘是将不锈钢纤维以刺绣的方式在织物上绣出电路制成的[51]。用不锈钢纤维与普通纱线制织成不同组织的织物作为织物键盘的导电层，导电性能良好，二重组织较平纹组织导通率好[54]。用导电高分子纤维织造的织物键盘轻质，可以用于智能手机[52]。

2.4在抗静电织物中的应用

静电不仅会给人身体带来不适，还会给工业生产带来安全灾害[55]。具有金属特性的纤维的导电性能较好，可以减少织物上的静电荷量，防止静电荷局部积聚，具有良好抗静电性能[56]。

金属纤维，如不锈钢纤维在混纺织物中含量为0.5%～5%时就具备良好的抗静电性能，且随着含量的增加，抗静电性能提高[57]。金属化纤维，如镀银纤维，其在织物中含量为0.5%时就能达到抗静电的标准[58，59]。导电高分子纤维，如聚苯胺/涤纶导电纤维、聚苯胺/聚丙烯腈纤维的电阻较涤纶、聚丙烯腈明显降低，抗静电效果显著[60，61]。有机导电纤维，其导电成分沿纤维轴向分布，能减少电荷积聚，易于电荷的消散[58]。利用具有金属特性的纤维来改善纺织品的抗静电效果将是未来抗静电技术发展的热点。

3结语

综上所述，具有金属特性的纤维品种日益丰富、性能逐渐优化、制备技术日渐成熟，这将使其在纺织领域和金属材料领域的应用更加广泛。

金属纤维导电性优良，但是与普通纤维对比，其抱合力较小，可纺性能较差，长丝无延伸性，直接织造困难；金属化纤维织造容易，导电性不如金属纤维，且表面附着的金属层容易磨损；导电高分子纤维刚性大、有颜色，但尚未产业化。通过纺丝获得的有机导电纤维，易于混纺、交织，但导电或磁性较纯金属纤维或金属化纤维差；碳纤维导电性良好，但其耐弯折性能较差、价格昂贵，且颜色单一，限制了其在纺织品中的使用。

目前，这些纤维在电磁屏蔽、抗菌、导电织物等方面获得了广泛研究和应用，但是，其制备工艺较为复杂、价格相对较高，部分纤维在织物制备等方面还存在不足，还需要继续探讨和研究。

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中图分类号：TS114

文献标识码：A

文章编号：1008-5580(2016)01-0136-05