碳黑导电纤维的导电性能

王云燕， 陈慰来， 王金凤(浙江理工大学 材料与纺织学院， 浙江 杭州 310018)

碳黑导电纤维的导电性能

王云燕， 陈慰来， 王金凤
(浙江理工大学 材料与纺织学院， 浙江 杭州 310018)

为开发和拓展碳黑导电纤维的应用，利用体式显微镜和扫描电子显微镜对导电纤维的表面形态进行表征，测试了不同碳黑含量、不同线密度的导电纱线在标准环境下的电阻大小，并线性拟合了导电纱线电阻大小与测量长度的关系，对比分析了热定型温度和洗涤次数对纱线导电性能的影响。结果表明：碳黑导电成分在纤维表面，改善了锦纶纤维的力学性能；碳含量较高的纤维其导电性能优于碳含量较低的纤维，导电纱线电阻与它们的长度成正比，与截面成反比；锦纶导电纱的电阻值随着温度的升高而减小，纱线热处理温度不超过120 ℃；洗涤次数对锦纶导电纱线的导电性能影响小，纱线导电性能稳定。

导电纤维； 碳黑； 洗涤处理； 热定型； 导电性能

随着智能化的发展和普及，导电纤维作为智能纤维的典型代表之一，为众人所瞩目。导电纤维在传感器、服装等方面拥有极佳的应用前景[1-2]，因此，研究导电纤维探测电信号的性能及其传输性能是非常重要的。导电纤维在信息传感方面已经成为了21世纪智能材料中最理想的载体[3-4]。

碳黑复合导电纤维是研究较早的导电纤维之一。在20世纪60年代末期，日本帝人公司、美国巴斯夫公司相继开发了在表面涂覆碳黑的有机导电纤维[5]，但是初期碳黑导电纤维中的碳黑导电成分易于脱落，实际使用颇为受限。为了改进碳黑导电纤维的性能，美国Monsanto公司、杜邦公司、日本Kanebo公司等研发了各类高性能的碳黑复合型导电纤维[6]，将碳黑配合高分子材料以混练加工、后加工处理或是其他方式制备成长效的导电纤维[7-8]。

本文以碳黑锦纶导电纤维为原料，研究了碳黑系导电纤维的表观结构，设计了一种导电纱线等效电阻测定方法，分析了导电性能的影响因素，并从实际应用出发，模拟热处理工艺和织物洗涤，对比分析了碳黑锦纶导电纤维的使用价值，以期为碳黑导电纤维在智能纺织品应用方面提供理论基础。

1 实验部分

1.1 实验材料

22 dtex黑色锦纶全拉伸丝(FDY)、22 dtex灰色锦纶全拉伸丝(FDY)(凯泰特种纤维科技有限公司)。碳黑导电纤维，以锦纶全拉伸丝为基体，碳黑粉末为有机导电材料，根据纤维含碳量的不同，纤维颜色分为黑色和灰色2种。

1.2 实验仪器

SteREO Discovery V20型蔡司体视显微镜，JSM-5610LV型扫描电子显微镜(日本电子株式会社)，X射线显微分析系统(能谱仪，美国通用公司)，XQ-1A型单纤维强伸度仪，DM3068型数字万用表(北京普源精电科技有限公司)，海尔全自动洗衣机，纺织品专用烘箱，E16型手摇横机。

1.3 性能测试

1.3.1 形貌观察

观察试样纵向结构时，取干燥后的试样剪成长度约为10 mm的小段，用导电胶黏在平台式试样架的表面；观察试样横截面时，先用环氧树脂包埋导电纤维，完全固化后在液氮中冷冻脆断，从而得到平整的横截面。试样经真空喷金后，采用扫描电子显微镜观察导电纤维表面形貌，并利用X射线能谱分析法对导电纤维表面和内部分别进行材料微区分成分元素种类与含量分析。

1.3.2 导电纤维强力测试

导电纱线在测试温度为(20±2)℃，相对湿度为(65±5)%的环境中静置24 h。利用XQ-1A型单纤维强伸度仪测试纤维强力。测试条件：自动设置预张力；上下2个夹持器的间距为50 mm；拉伸速度为100 mm/min；每个试样实验30次。

1.3.3 导电纱线等效电阻测试

不同线密度导电纱等效电阻大小不同，结合纤维导电性能和实际使用，首先对导电纤维进行合股并线[9]。其中：黑色锦纶长丝电阻率较小，进行5、20股并线；灰色锦纶长丝电阻率较大，进行20、40、60、80股并线。然后将导电纱线顺直自然地固定在绝缘板上，两端用绝缘胶带固定，等距离标记2 cm长度，使用DM3068型数字万用表分别测定10 cm单位长度(分别为2、4、6、8、10 cm)的电阻值。由于纱线股数较多，需要先用锡纸将测点包覆住，以使得测量时纱线能尽可能相互接触。每个试样测试10次，每次测试15 s，得到50个实时电阻值的平均值，取10次测量的平均值为纱线等效电阻值。

1.3.4 热处理导电纱等效电阻测试

黑色锦纶丝5股并线，灰色锦纶丝20股并线，将纱线放入设定温度为40、60、80、100、120、140 ℃的纺织品专用烘箱内，分别热烘90 s，而后取出冷却，再用DM3068型数字万用表测定其等效电阻。

1.3.5 洗涤后导电纱等效电阻测试

由于直接将纱线放入洗衣机内洗涤，会使纱线相互缠绕打结，故先将导电纱以添纱方式用手摇横机织成平针织物。根据GB/T 8629—2001《纺织品试验用家庭洗涤和干燥程序》制定试样的测试方式。设置洗衣机模式为轻柔，每洗涤10 min，脱水1 min为1次漂洗；分别漂洗5、10、15、20、25、30次后取出放入纺织品专用烘箱，温度设定为65 ℃，时长为40 min，取出待其冷却后将织物逆编织方向拆出，黑色锦纶丝5股并线，灰色锦纶丝20股并线，并股后固定在绝缘板上进行等效电阻测量。

2 结果与讨论

2.1 纤维的微观形貌分析

图1示出碳黑导电纱线在蔡司体视显微镜下的实物图。可看出，2种导电纤维的条干均匀度较好，表面光滑，无天然卷曲，未经过加捻处理。黑色锦纶纤维颜色较深，不易染色，灰色锦纶纤维颜色浅于黑色锦纶纤维，这是由于导电纤维碳黑含量不同。

图1 蔡司体视显微镜下的导电锦纶全拉伸丝(×150)Fig.1 Stereo microscope images of conductive nylon fiber FDY(×150).(a) Black nylon fiber FDY; (b) Gray nylon fiber FDY

图2示出碳黑导电纱线的扫描电镜照片。从图2(a)、(c)导电纤维纵向截面可看出：黑色锦纶纤维纵向外观粗糙，有较强颗粒和较浅的沟槽，表面积较大；灰色锦纶纤维纵向结构，没有明显的表层结构，表面较为光滑，因此，在纺纱工艺过程中纤维抱合力小，纺纱性能较差。从图2(b)、(d)纤维横向截面可看出，黑色和灰色锦纶纤维截面近似圆形，有些许不规则异形，这和纤维生产过程中喷丝孔形状有关。

图2 导电锦纶FDY扫描电镜照片Fig.2 SEM images of conductive nylon fiber FDY. (a) Longitudinal section of black nylon fiber FDY(×3 000); (b) Transverse section of black nylon fiber FDY (×2 000); (c) Longitudinal section of gray nylon fiber FDY(×3 000); (d) Transverse section of gray nylon fiber FDY(×2 000)

经过X射线能谱分析，可以得到2种导电锦纶纤维表面和内部的C、N、O元素含量，如表1所示。黑色锦纶纤维内部元素仅为C、N、O，其含量与灰色锦纶纤维内部元素相近，说明2种导电锦纶纤维的基体相同。2种导电锦纶纤维表面的C元素含量都远大于内部C元素含量，证实了其导电成分为碳黑。黑色锦纶表面C元素含量明显大于灰色锦纶，由此可以推测黑色锦纶纤维的导电性优于灰色锦纶纤维。

表1 导电锦纶元素分析Tab.1 EDS analysis of conductive nylon FDY fiber %

同时，通过EDS分析还发现，灰色锦纶丝表面测试中含有微量Ti、Cr金属元素，推测可能是TiO2、CrO3等，用于浅化碳黑纱线本色，改善纱线染色性能[7]。由于Ti和Cr的量与原子能占比仅为0.62%与0.17%，所以对纤维导电性能影响不大。

2.2 导电纤维的力学性能分析

导电纤维单纤直径、复丝根数及强力等材料特性结果如表2所示。可看出，黑色锦纶丝断裂强力平均值为37.9 cN，而灰色锦纶丝为56.6 cN。影响纱线断裂强度的主要因素是组成纱线的纤维的性质及纱线结构(捻度)这2个方面[10]。由表2中还可看出，黑色锦纶丝的断裂伸长率为365.6%，灰色锦纶丝为232.1%。虽然黑色锦纶丝的断裂强度低于灰色锦纶丝，但是其断裂伸长率比灰色纱线大得多，说明其拉伸性能比灰色锦纶丝好。碳黑导电纱线的断裂强度及伸长率都远大于其基体锦纶(锦纶6的干态断裂强度为0.38～0.62 cN/dtex，湿态断裂强度为0.33～0.53 cN/dtex；干态断裂伸长率为25%～55%，湿态断裂伸长率为27%～58%)，说明碳黑的加入改善了导电纤维的力学性能。

表2 纤维材料特性Tab.2 Fabric characteristics

2.3 导电纤维的导电性分析

由于单根纤维线密度太小、电阻值过大，不符合实际使用情况，因此，对导电纤维进行合股并线后再进行测试。黑色锦纶丝进行5股和20股并线，灰色锦纶丝进行20、40、60、80股并线，选取了2～10 cm不同单位长度的导电纤维，测得2种纤维的电阻值，结果如图3所示。然后利用Origin8.5对所测数据进行拟合。由于数字万用表导线电阻和锡纸的电阻数值与纱线的电阻数值数量级相差太大，故忽略不计。

图3 导电纱线的电阻Fig.3 Resistance of conductive yarns. (a) Black nylon yarn; (b) Gray nylon yarn

导电纱线电阻与它的长度成正比，而与纤维并股数成反比。利用导体理论可将并股的纤维看成这些导体并联。实测数值表明，20股黑色锦纶丝的阻值约为5股的4倍，如图3(a)所示。从图3(b)看出，灰色锦纶丝的阻值随着纱线根数从20股到80股的增多而降低，而随着纱线测量长度的增加其逐次降低的程度渐渐变小，从1.5倍至1.2倍。从图3可看出，在纱线股数相同的条件下，黑色锦纶丝的阻值远远小于灰色锦纶丝的阻值。

导体电阻与导体长度的关系式为

式中：ρ为导体的电阻率，Ω·cm；L为导体的长度，cm；S为导体的横截面积，cm2；R为所测纱线的电阻值，Ω。设ρ/S为K，则有R=KL[11]。

由上述公式以及实测的实验数据，利用Origin8.5所得到的拟合数据计算电阻率，结果如表3所示。

表3 碳黑导电纤维电阻拟合数据及电阻率Tab.3 Resistance fitting data and resistivity of carbon conductive yarns

由表3可看出，R2值趋近于1，表明回归直线对观测值的拟合度良好，导电锦纶纱线电阻值线性度高，纤维分子或基体中的电子导电机制增大，导电成分的连续性能较好，特别是在电流方向上。

2.4 导电纤维的耐热性能分析

多数电阻与温度成正比，其关系符合公式

Rt=R0(1+αRT)

式中：Rt为温度等于t时的电阻值，MΩ；T为温度，℃；αR为电阻温度系数，℃-1，一般与温度有关，对某些材料来说，在一定温度范围(0～100 ℃)内变化非常小，可以当作常数，即Rt与t呈线性关系。一般来说，电阻是随着温度的升高而增加的。

图4示出导电纱线的等效电阻随温度的变化。可看出：黑色锦纶丝的等效电阻随着温度的升高先变大后变小，其等效电阻在80 ℃前随温度升高而增大，从100 ℃开始随着温度的升高而变小；灰色锦纶丝的等效电阻和黑色锦纶丝的规律类似，但其在上升段的上升较缓。2种纱线的电阻都是在80 ℃前随着温度上升而增大，在100 ℃开始电阻随温度上升而减小。由此推测其锦纶基可能是锦纶6，锦纶6的安全使用温度是93 ℃，随温度升高其强力降低，收缩率增大。收缩会使纱线中的C元素之间变得更紧密，从而使电阻变小。在高温条件下，锦纶还会发生各种氧化和裂解反应，主要是—C—N—键断裂形成双键和氰基，使得纱线中的C更活跃，因此，导电性变好。从120 ℃开始，从烘箱拿出的纱线开始出现有些黏连，尤其在140 ℃时的情况更严重。纤维的破坏使得纤维之间的接触更紧密，并使其中的碳黑粒子相互接触的概率越高，碳黑粒子或碳黑粒子几何体形成的导电通路也越多，增强其导电性。

图4 导电纱线的等效电阻随温度的变化Fig.4 Equivalent resistance of conductive yarns vs.temperature. (a) Black nylon yarn FDY (5 stocks); (b) Gray nylon yarn FDY (20 stocks)

2.5 导电纤维耐洗性能分析

图5 导电纱线的电阻值随洗涤次数的变化Fig.5 Equivalent resistance of conductive nylon yarns vs. washing times. (a) Black nylon yarn FDY; (b) Gray nylon yarn FDY

2种试样经不同洗涤次数后的电阻值如图5所示，数字万用表导线电阻和锡纸的电阻忽略不计。如图5所示，随着洗涤次数的增加，导电纱线等效电阻先下降然后增加至趋于平稳。这主要是因为随着洗涤次数的增加，纤维的卷曲增大，纤维与纤维之间的缠绕更为紧密，增大了纤维间的接触面积，故二者的电阻先减小后趋于平稳。说明洗涤条件对黑色锦纶丝与灰色锦纶丝的影响不大。

3 结 论

1)以高性能碳黑作为导电原料，以锦纶作为基体，碳黑导电成分分布在纤维表面，随着碳黑含量的增加，纤维的导电性能改善，纱线颜色也加深。

2)纱线等效电阻与长度成正比，与并线股数成反比。随测量长度的增加，导电锦纶长丝的阻值线性增大；随纱线股数的增多，导电锦纶长丝的阻值降低，并且随着长度的增加，其逐次降低的程度渐渐变小。

3)导电锦纶纱线的等效电阻随着温度的升高先变大后变小，这是由于受导电纱线基体性能影响。随着洗涤次数的增加，导电纱线等效电阻先下降，而后趋于平稳，说明导电锦纶长丝耐水洗性能好，实用性较强。

FZXB

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Conductive property of carbon black conductive fiber

WANG Yunyan， CHEN Weilai， WANG Jinfeng
(CollegeofMaterialsandTextiles,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

In order to develop and extend the application of carbon black conductive fiber, the morphological structure of conductive fiber was characterized by stereo-microscopy and scanning electron microscopy, and the conductive resistances of conductive yarns of different carbon black contents and finenesses were tested under the standard normal atmospheric condition. The regression curves of the resistance of conductive yarns and the measuring length were drawn. The influences of heat setting temperature and washing times on the electrical properties of conductive yarns were analyzed and compared. The results show that carbon black on the surface of the fiber improves the mechanical properties of nylon fiber. The conductive properties of the fiber with higher carbon black content are better than that with low carbon black content. The resistance of conductive yarns is proportional to their length and inversely proportional to the cross section. The resistance value of the polyamide conductive yarn decreases with temperature. Yarn heat treatment temperature is not higher than 120 ℃. Almost no effect of washing times exists on the conductivity of conductive nylon yarn, and yarn conductive properties are stable.

conductive fiber； carbon black； washing treatment； heat setting； conductive property

2016-07-04

2016-12-21

“纺织科学与工程”重中之重一级学科开放基金项目(2014KF03)；“纺织科学与工程”重中之重一级学科优秀博士专项(2014YBZX02)；浙江理工大学科研启动基金项目(14012003-Y)

王云燕(1991—)，女，硕士生。主要研究方向为现代纺织技术及新产品。陈慰来，通信作者，E-mail：wlchen193@163.com。

10.13475/j.fzxb.20160700606

TS 151

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