导电纤维的发展与应用

郑少明+赖祥辉+林本术

摘要 导电纤维的现有种类有金属导电纤维、碳素导电纤维和有机导电纤维，导电纤维以其优良的导电性能被广泛地应用于抗静电、防辐射、传感器及军工等领域。介绍了各类导电纤维的性能以及导电纤维在纺织品中的应用和市场前景。

关键词：导电纤维；导电性；性能；应用

导电纤维是一种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（20℃、65%相对湿度）下，比电阻在107Ω·cm以下的纤维[1]。导电纤维的现有种类主要有：金属导电纤维、碳素导电纤维和有机导电纤维。

1 导电纤维的分类

1.1 金属导电纤维

最早出现的金属导电纤维是由美国Brunswick公司生产的不锈钢纤维Brunsmet，这种纤维是通过对不锈钢丝反复穿过模具精细拉伸而制成的[2]。金属导电纤维主要是利用金属优良的导电性能，使用的金属主要有不锈钢、铜和铝等[3]。金属导电纤维是导电性能最好的导电纤维，导电性能接近纯金属，电阻率达到10-4Ω·cm ～10-5Ω·cm，而且耐化学腐蚀，还具有防辐射、强度高、弹性模量高等优点，但金属导电纤维的手感较差，抱合困难，纤维的混纺不能均匀化，限制了其进一步推广使用[4]。

1.2 碳素导电纤维

在21世纪被誉为“黑色黄金”的碳纤维最早是1959年由日本人采用聚丙烯腈（PAD）纤维经高温炭化处理制得，现在根据原丝类型可分为粘胶基、PAN基和沥青基[5]。碳素导电纤维的电阻率在10-3 g/cm3～10-4Ω·cm，导电性能优良，且密度小（1.5 g/cm3～1.8g/cm3）、直径细（5μm ～7μm）、长径比大，具有高强度、化学稳定性好等优点，但纤维的模量高、缺乏韧性、不耐折弯、无热收缩能力，不适于纺织品使用[6]。

1.3 有机导电纤维

1.3.1 导电高分子直接纺丝制成的有机导电纤维

高分子材料通常被认为是绝缘体，但1977年美国科学家A. F. Heeger发现聚乙炔经掺杂后具有明显的导电能力，随之又相继诞生了聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等高分子导电物质 [7]。目前加碘聚乙炔的导电能力已达到室温下金属铜的水平（10-4Ω·cm）。

使用导电高分子直接纺丝制成的有机导电纤维目前还比较难以应用于纺织生产，其原因在于聚合物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[8]。

1.3.2 普通合成纤维涂覆导电物质制成的有机导电纤维

20世纪60年代末期，日本帝人公司、德国BASF公司等率先开发出了普通合成纤维表面涂覆碳黑的有机导电纤维。此后，出现了很多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覆金属、碳、导电高分子等导电物质的方法，常见的方法有化学电镀法、真空蒸发吸附法、缝隙式机械涂敷法、嵌碳法、渗入法、络合法和吸附法[4， 9]。这类导电纤维的导电成分都附着在纤维表面，放电效果良好，但是在反复摩擦和洗涤之后，附着在纤维表面的导电物质容易剥落，会降低纤维的导电性能。

1.3.3 导电物质与普通高聚物复合纺丝制成的有机导电纤维

1974年美国DuPont公司率先开发了以含有碳黑的PE为芯、PA66为鞘的皮芯复合导电纤维AntronⅢ，此后各大化纤公司纷纷开始研究和开发含有碳黑的复合导电纤维。但碳黑复合导电纤维通常呈灰黑色，限制了其应用范围，20世纪80年代开始了导电纤维的白色化研究，以粒径约1μm的铜、银、镍、镉等金属硫化物、碘化物或氧化物为导电物质，复合纺丝制得适合各种染色要求的白色导电纤维[10]。

复合纺丝法制得的有机导电纤维中导电物质沿纤维轴向连续，易于电荷逸散。复合结构常见的有皮芯结构、单点或多点内切圆结构、三明治夹心结构和共混结构等。碳黑复合导电纤维的导电能力及持久性较好，电阻率为10Ω·cm ～102Ω·cm，适宜于中等抗静电要求的纺织品。金属化合物复合导电纤维的导电性能相对较差，电阻率为 103Ω·cm ～104Ω·cm，适合于浅色民用纺织品[11]。复合型有机导电纤维具有良好的耐摩擦、耐屈曲、耐氧化及耐腐蚀能力，与其他纤维容易抱合，易于混纺或交织，具有优良且持久的导电性。因此这种纤维广泛地适用于工业生产和服装、服饰上[11]。

2 导电纤维的应用

由于导电纤维的导电性能主要基于自由电荷的移动，不依靠吸湿和离子的转移，所以导电纤维不受环境湿度影响，在相对湿度为30%或更低的环境下仍能表现出优良的导电性能[3]。其纺织产品主要有抗静电和防辐射功能，在电子产业、航空航天、电视广播、信息产业、电力、电信、医药及精密仪器等领域的应用非常广泛。

2.1 抗静电纺织品

合成纤维在使用过程产生的静电会对人民的生活和工业生产带来危害。随着科技的发展，纺织品在使用过程中产生的静电还会造成电子仪器的运转故障，在集成电路的研究和生产过程中，由于操作人员服装上带有静电而粘上的尘埃会造成集成电路短路、元件击穿，大大降低集成电路的制成率。

采用在普通织物中织入导电纤维可以使织物上积蓄的电荷快速释放，有效防止静电局部积蓄。常见的抗静电纺织品有无尘服、无菌服。

2.2 防辐射纺织品

当电磁波辐射到含有导电纤维的织物表面时，导电纤维作为导电介质能将电磁波转化或传递出去，实现防辐射目的。利用这一特性，可以将含有导电纤维的织物用作精密仪器、航空航天的电磁波屏蔽材料，还可以用于经常接触电磁辐射的雷达、医疗等工作人员的防辐射工作服。

2.3 传感器纺织品

使用导电纤维根据电子传感器的原理可制成传感器纺织品，具有轻便、易携带等优点，在各个领域都有广泛的应用。传感器纺织品可用于温度、压力、电磁辐射、化学物质种类和浓度等的检测，使用传感器纺织品可制成集成通信、娱乐、使用者监测等功能的智能服装。

3 结语

导电纤维作为一种重要的功能材料，随着导电纤维与其他相关科学领域的结合越来越紧密，导电纤维的应用将会得到进一步的推广。相信随着科技的进步，利用导电纤维将持续开发出具有各种功能的智能纺织品。这些智能纺织品将不再仅仅是被动地接受信号，而是能够主动感知外界环境的变化进而调节自身以适应环境变化。导电纤维作为智能纺织品的重要组成部分，将具有非常广阔的市场前景。

参考文献：

[1]丁长坤，程博闻，任元林，等.导电纤维的发展现状及应用前景[J].纺织科学研究，2006（3）：32-39.

[2]高绪珊，童俨.导电纤维及抗静电纤维[M].北京：纺织工业出版社，1991.

[3] 张世国， 王进美. 导电纤维的加工方法及其应用[J]. 纺织科技进展，2009（1）： 32-34.

[4] 施楣梧.纺织品用抗静电纤维、导电纤维的回顾和展望[J].毛纺科技，2000（6）： 5-10.

[5] 黎小平， 张小平， 王红伟. 碳纤维的发展及其应用现状[J]. 高科技纤维与应用，2005， 30 （5）： 24-30.

[6] 许荣鹏.导电纤维在复合型导电塑料中的应用[J]. 高科技纤维与应用，2007， 32 （1）： 28-31.

[7] 赵菊梅，周彬.防静电纤维及其应用现状[J].纺织科技进展，2009（5）： 38-39.

[8] 高广艳，安树林.有机导电纤维的性能特点及其发展[J].天津纺织科技，2005 （2）： 29-33.

[9] 蔡明德，施楣梧.有机导电纤维的结构性能研究和防静电织物的研制[J].纺织信息周刊，2001 （19）：13.

[10] 施楣梧， 南燕. 有机导电纤维的结构和性能研究[J]. 毛纺科技，2001（1）： 5-8.

[11] 施楣梧.纺织材料抗静电技术的回顾和展望[J].中国个体防护装备，2001（3）： 12-15.

（作者单位：福建省纤维检验局，福建省纺织产品检测技术重点实验室）