多层结构镀银聚酯导电纤维的制备

宫 玉 梅，　李 轶 文，　赵 　 娜，　陈 美 妍，　陈 园 余，　张 　 鸿

( 大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连　116034 )



多层结构镀银聚酯导电纤维的制备

宫 玉 梅，李 轶 文，赵 娜，陈 美 妍，陈 园 余，张 鸿

( 大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连116034 )

聚酯纤维经除油和粗糙化后，表面浸涂氧化铟锡(ITO)溶胶，经热处理在纤维表面形成ITO层，经SnCl2溶液敏化后浸入特定浓度的氧化-还原镀银溶液中，获得表面镀制银/ITO复合导电层的聚酯导电纤维。扫描电子显微镜观察显示，复合导电层的厚度约为500 nm，纤维表面银层平整，颗粒均匀。能量弥散X射线能谱测试表明，纤维表面银的质量分数可达87.44%。对纤维进行力学性能和导电性能测试结果显示，其断裂强度为4.741 cN/dtex，比原纤维下降约14%，纤维电阻率可低至0.21 mΩ·cm。

聚酯纤维；氧化铟锡；镀银；导电纤维

0　引　言

合成纤维电阻率高，通常高达1014Ω·cm，使用过程中容易产生静电，给生活、生产带来了很多问题。很长时间以来，人们都在寻求降低纤维电阻，提高其导电性的方法。常见的化学镀银法已在聚酯纤维[1-4]、聚氨酯纤维[5]、聚酰胺纤维[6-7]等常见化学纤维上得以实施。同时，由于聚酯纤维表面化学活性较低，与金属的亲和性较差[8-9]，在聚酯纤维表面镀银的过程中，经过洗涤和除油的纤维首先需要酸(碱)液对表面进行粗糙化处理以增大纤维的表面粗糙度，然后用具有还原性的SnCl2溶液在纤维表面还原一定量的贵金属钯作为镀银的成核点，最后利用银氨溶液在纤维表面镀制连续银层[10-13]。但是，此种制备方法并不能应用于大规模生产。其原因主要有：一是为使有机基体纤维与无机银层结合牢固，纤维表面粗糙化程度往往较高，导致纤维强度下降，并且需要使用贵金属钯作为银的成核点，增加了生产成本[14-16]；二是为保证镀银纤维的导电性能，银层往往较厚，且镀银的颗粒大而不均，造成镀银纤维柔性下降。

近年来，利用聚多巴胺[17]或聚乙二醇[18]等聚合物对纤维表面进行修饰，并进一步镀制银层的方式取得了一定的进展，证明添加适当的修饰层有利于提高镀银纤维的质量。

本试验在纤维与银层之间引入氧化铟锡(ITO)层，以增强金属单质银与有机基体纤维的结合牢度，并在无钯活化的条件下在聚酯纤维表面镀制了颗粒均匀的Ag/ITO复合导电层，得到了镀银导电纤维。镀银纤维表面呈金属光泽，具有很好的拉伸和导电性能。

1　试　验

1.1试剂

聚酯纤维单丝(D=0.036 mm)，大连合成纤维研究设计院股份有限公司；氯化铟(InCl3)(99.99%)，Alfa Aesar；葡萄糖(C6H12O6·H2O)、盐酸(37%)、硝酸银(AgNO3)和四氯化锡(SnCl4)均为分析纯，天津市光复科技发展有限公司；锡粒(Sn)(高纯试剂)和二水合氯化亚锡(II)(SnCl2·2H2O)(AR)，国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇、异丙醇、氨水 (25%)，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2试验方法

Ag/ITO导电纤维制备流程：洗涤除油→粗化→涂覆ITO层→敏化→镀银。

1.2.1除油和洗涤

依次分别利用丙酮、乙醇和去离子水对聚酯纤维进行超声清洗约20 min，然后于干燥箱中60 ℃ 烘干。

1.2.2粗糙化处理

除油和清洗后的干燥纤维在室温下用0.1 mol/L 盐酸溶液浸泡1 h，取出后用去离子水充分冲洗，于60 ℃的干燥箱中烘干。

1.2.3ITO层的制备

ITO溶胶：搅拌条件下，将等体积的165 g/L SnCl4水溶液缓慢加入330 g/L InCl3有机溶液，其有机溶剂为体积比为11∶10的异丙醇和乙醇混合溶液，室温搅拌4 h，静置24 h形成稳定的ITO溶胶。

纤维浸涂：采用浸涂的方式，粗糙化的聚酯纤维在制得的ITO溶胶中浸渍3 min，取出后置于120 ℃干燥箱中热干燥15 min，在纤维表面形成ITO层。为保证纤维表面ITO层的均匀，纤维样品一般进行3次浸涂。

1.2.4ITO层的敏化

敏化剂的配制：先将SnCl2·2H2O溶解于少量HCl(37%)，再加入去离子水稀释至25 g/L，配制好的SnCl2溶液中需加入少量锡粒防止SnCl2氧化。

涂层敏化：将表面沉积ITO层的纤维浸入SnCl2溶液浸泡1 h取出，用去离子水充分冲洗并60 ℃烘干。

1.2.5镀银

镀银溶液的配制：镀银氧化液为2.2 g/L的AgNO3溶液滴加浓氨水制备的澄清银氨溶液，还原液为70 g/L的葡萄糖溶液，氧化液与还原液的体积比9∶1。

银层的镀制：镀银时，先将带有ITO层的纤维固定在银氨溶液中，室温下边搅拌边缓慢滴入还原液，时间约1 h。镀银反应结束后，纤维用去离子水充分清洗，去除纤维表面残留的银屑。洗净的镀银纤维于干燥箱中60 ℃干燥。

1.3测试与表征

1.3.1纤维形貌

采用日立(HITACHI) S-4800场发射扫描电子显微镜对纤维形貌进行观察，纤维样品横截面与水平面夹角为45°和90°。

1.3.2纤维表面成分

采用日本电子(JEOL) JSM-6460LV扫描电子显微镜和牛津(OXFORD)X-Max电制冷能谱仪EDS (英国)测定，测试前对样品进行镀铂处理。

1.3.3纤维强力

采用LLY-06E型电子单纤维强力仪(莱州市电子仪器有限公司)测试，夹距10 mm，拉伸速度20 mm/min，测试温度20 ℃，相对湿度65%。

1.3.4纤维导电性能

采用日本共立(KYORITSU) 1109型指针式万用表测量一定长度上纤维的电阻值并根据公式(1)计算纤维的电阻率。

(1)

式中：ρ为电阻率，Ω·cm；R为测量长度上纤维的电阻值，Ω；S为测量纤维的截面积，cm2；L为测量纤维的长度，cm；D为测量纤维的直径，cm。

2　结果与讨论

2.1纤维表面形貌分析

图1给出了原纤维SEM形貌图。可见，经过除油和洗涤的聚酯纤维表面光滑平整，直径均匀，约为36 μm。

图1　经过洗涤的PET原纤维

PET纤维表面ITO修饰和镀银的形貌由图2所示。其中，图2(a)、(b)给出了沉积ITO层的纤维以及镀制银层后纤维表面形貌的SEM观察图。由原纤维表面经过粗糙化后浸涂ITO层，借助粗糙化的表面和ITO层中含有的交联网络[19-21]与有机纤维间的强亲和力，可使ITO涂层与纤维表面紧密接合，其纤维形貌的SEM观察结果如图2(a)所示，ITO涂层与纤维基体紧密接合，无分层现象，同时在ITO涂层表面分布有较大的ITO颗粒，加大了纤维表面涂层的粗糙度。此层粗糙ITO粒子在后续镀制银层时可以作为银的成核点有利于银粒子的附着。由图2(b)可见，镀银后纤维表面出现平整的镀层，镀银颗粒均匀且致密，在镀银后，纤维的直径为36.92 μm，结合图1所示原始纤维的直径，可以看出，ITO/Ag复合导电层的厚度约为500 nm。

图2　PET纤维表面ITO修饰和镀银形貌

图2(c)、(d)给出了无ITO层的纤维和涂敷了ITO层的纤维在相同条件下镀银后的表面形貌。由图2(c)可以看出，在未预先浸涂ITO层的情况下，纤维上的银层与纤维基体接合较差，且纤维表面银层平整性较差，存在明显的缺陷。图2(d)中，纤维表面形成了Ag/ITO复合层结构，Ag层与ITO层紧密接合。由此可见镀制银层前首先在纤维表面沉积ITO层的方法有助于增强银层在纤维表面的附着能力，同时能够提高银层的质量，利于实现聚酯纤维表面银层的镀制。

2.2镀层成分分析

对Ag/ITO沉积的导电纤维的表面进行EDS能谱分析，其元素组成曲线如图3所示。由曲线可知，纤维表面主要含有Ag、C和O 3种元素，其中银元素质量分数高达87.44%，原子分数为46.51%。同时，纤维表面未出现ITO层主要含有的In、Sn等元素，说明纤维表面银层不但均匀致密，且具有很高的纯度。

图3　导电纤维的EDS能谱

2.3纤维力学性能分析

分别对原纤维、浸涂ITO层的纤维和镀制Ag/ITO复合层的纤维进行力学性能测试，结果列于表1。对比表1中不同样品的断裂强度可以看出，在浸涂ITO层后，纤维的强度出现明显的下降，降低约14%，而在ITO层表面再镀制银层后纤维的强度与浸涂ITO层的纤维相比强度几乎没有下降，这说明在浸涂ITO层后，ITO层有利于银层的附着，ITO表面的银层与ITO层接合紧密，使银层与纤维紧密接合，在拉伸过程中并未产生明显的相对滑移。

表1　纤维的断裂强度

2.4纤维导电性能分析

如表2所示，具有Ag/ITO复合结构的聚酯导电纤维电阻率约为0.21 mΩ·cm，与无ITO层镀银纤维相比，纤维的导电性能得到了明显的提升。由于纤维表面Ag/ITO复合层仅为500 nm，良好的导电性能充分说明纤维表面复合镀层结构紧密且连续，证明了该方法有利于获得性能优良的镀银导电纤维。

表2　纤维的导电性能

3　结　论

聚酯纤维在沉积ITO涂层后镀银可得到电阻率达0.21 mΩ·cm的导电纤维；ITO涂层能够与聚酯纤维紧密接合，Ag/ITO复合导电层的厚度约为500 nm；纤维表面ITO涂层与银层具有很好的接合能力，能够提高银层的质量；镀银纤维的强度主要受ITO涂层的影响，强度下降约为14%，银层对纤维强度的影响可忽略不计。

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Preparation of conductive PET fiber with Ag/ITO bilayers

GONGYumei,LIYiwen,ZHAONa,CHENMeiyan,CHENYuanyu,ZHANGHong

( School of Textile and Material Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Alayerofindiumtinoxide(ITO)throughdip-coatingandthermalannealingwasprecipitatedondegreasedandroughenedPETfiber.ThefibersurfacewassensitizedbySnCl2solutionfollowedbytypicalsilvermirrorreaction.TheSEMresultoffibermorphologyshowedthatparticlesofsilverlayerweresmoothanduniform,andthethicknessoftheconductivebilayerswasabout500nm.Theelementmassfractionofthefiberanalyzedbyenergy-dispersiveXrayspectroscopyshowedthatthemassfractionofsilverelementonthefibersurfacereachedto87.44%.Thebreakingstrengthoftheconductivefiberwas4.741cN/dtex,whichwas14%lowerthanthatoftheoriginalfiber.Thepreparedfiberhasexcellentconductivity,anditsresistivitycouldbeaslowas0.21mΩ·cm.

PET fiber; indium tin oxide; silver layer; conductive fiber

2015-01-04.

国家自然科学基金资助项目(51103017).

宫玉梅(1971-)，女，教授.

TS102.52；TQ031.2

A

1674-1404(2016)05-0353-04

宫玉梅,李轶文,赵娜,陈美妍,陈园余,张鸿.多层结构镀银聚酯导电纤维的制备[J].大连工业大学学报,2016,35(5):353-356.

GONG Yumei, LI Yiwen, ZHAO Na, CHEN Meiyan, CHEN Yuanyu, ZHANG Hong. Preparation of conductive PET fiber with Ag/ITO bilayers[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(5): 353-356.