导电纤维的制备方法及应用

2020-03-01汤雅淇桂宁遥

辽宁丝绸 2020年2期

汤雅淇桂宁遥马岩

（辽东学院化工与机械学院，辽宁丹东118000）

20 世纪中期，由于静电而造成的事故屡屡发生，引起了各国研究机构的重视。同时，由于信息革命的迅猛发展，在人们的工作以及生活环境中电磁辐射也日渐严重。但是导电纤维就具有非常良好的抗静电效果并且持续的时间较长，环境的湿度对其也不具影响，在一定条件下，具有电磁屏蔽功效，于是导电纤维的研制越来越受到重视，使用的领域也愈来愈广泛[1]。

一、导电纤维生产的工艺流程

1.导电聚合物的制备

由PET 和聚乙二醇合成共聚酯，再联合碳黑进行双螺杆混炼，再通过切片、真空干燥机干燥、固相聚合、冷却这几步骤，最终形成导电聚合物切片。

2.导电纤维的制作流程

导电聚合物和PET 切片经过双螺杆、纺丝箱体、复合纺组件、冷却区、上油、卷绕、拉伸、定型、检验等步骤到最后装箱[2]，这就是导电纤维的制作流程。

二、导电纤维的具体分类以及制造方法

根据导电纤维的特点，可以将其分为四大系列，分别是金属系导电纤维、碳黑系导电纤维、导电高分子纤维和金属化合物型导电纤维[3]。下面针对这四种导电纤维介绍其具体的制造方法：

1.金属系导电纤维

金属系纤维顾名思义是由金属类材料制成的纤维，所以它可以很好地进行导电，能够耐热、耐化学腐蚀，这些都是它的一些特性，但对于纺织品而言，金属纤维纺纱性能差，制成产品后受到诸多限制，多用于防静电工作服和抗静电装饰类布料的制作，但是将金属系纤维制成高细度纤维时的价格比较高。

金属系导电纤维的制作主要依据于金属的一些利用价值比较高的性质，最主要方法是直接拉丝法，简而言之就是将金属通过拉伸、拉长等各种“拉”的方法拉制成纤维。主要金属有不锈钢、铜和铝。其他的方法还有纺丝法，将金属通过熔融的方法挤出或喷射成纤维。金属纤维通常不单独使用，而是与普通纤维混合制成可以导电或防静电的织物。再一种方法是玻璃纤维包覆熔融纺织法。它是利用玻璃丝的包覆性，将金属类的纤维熔融后包覆于其他纤维上。还有喷涂法，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[4]。

2.碳黑系导电纤维

碳黑系纤维是将碳黑与成纤物质混合后制成的导电纤维，其特点是在保持纤维具有的原性质之外，增加了一定的导电性能。其缺点是由于原材料的特殊性，颜色比较单一，通常为黑色或灰黑色，在使用上受到了一定的限制。而经碳化处理后的碳纤维导电性能、耐热性以及耐化学药品的性能也得到提高，但是缺乏韧性，因此适用范围有限。碳黑系导电纤维的制造方法通常有以下三种：

（1）掺杂法：即将碳黑与纤维混合后纺丝，使得加纺后的纤维具有导电性能。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。通常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。但是这种方法的缺点是碳黑容易脱落，纤维手感不好，并且碳黑在纤维表面的分布不易均匀。

（3）纤维炭化处理法：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，其纤维的主链主要为碳原子，进而使纤维具有导电能力。

3.金属化合物型导电纤维

在1960 年代，由美国 Bekaert 公司推出商品化不锈钢纤维“Beki12 OX”，是最早出现的金属纤维。将其制成短纤维，并与普通纺织纤维混纺织造，用于防静电地毯和工作服面料中。金属化合物型纤维的特点是导电性能好，但是可纺性能差，成品色泽受限制，制作时价格比较昂贵[5]。

导电型金属化合物纤维以混合纺丝法、吸附法或化学反应法制成。坚固程度较好，其中与之混合的化合物还具有其本身的特性以形成附加性能，但是某些化合物的成本偏高，而且部分化合物虽然可与金属结合形成金属化合物型纤维，但导电性能不如碳黑系纤维，屏蔽电磁的性能也比较一般，只能简单地用于抗静电织物的制造。

4.导电高分子纤维

导电高分子型纤维是由聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等高分子导电材料通过直接纺丝制成的有机导电纤维，纺丝过程困难，价格相比于其他三种导电纤维更昂贵，很少在纺织品中应用。通常高分子导电纤维分为复合型和结构型两大类：

（1）复合型高分子导电材料：主要由高分子材料与各种导电性物质复合制得。主要产品有导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料、导电胶粘剂以及透明导电薄膜等。常用的导电填料有炭黑、金属粉、金属箔片、金属纤维、碳纤维等。

（2）结构型高分子导电材料：是高分子结构本身或经过掺杂之后具有导电功能的高分子材料。根据电导率的大小将其分为高分子半导体、高分子金属和高分子超导体三类。按照导电机理可分为电子导电高分子材料和离子导电高分子材料两种。目前这类材料存在稳定性差等问题，尚未进入实用阶段。

三、导电纤维的性能

导电纤维最主要的性能就是防静电的作用。它之所以能够防静电，一方面是由于导电纤维可以在较短的时间里快速地将静电进行分散处理，另一方面导电纤维还可以有效地阻止静电在某一处的累积。在此基础上，导电纤维还能向大气进行静电的外放。在导电纤维不接地的时候，通常是利用电晕的方法进行静电的外放。这种方法对于减弱静电带来的危险有很显著的作用。而当导电纤维接地时，不止有电晕进行放电，还有一部分的静电通过导电纤维进入大地，从而更大程度上减小了带电量。

四、导电纤维的应用

1.防电磁辐射纺织品

在21 世纪，手机、电脑已经成为我们生活中的必需品，无论是成年人还是青少年都纷纷陷入网络之中。然而，我们的工作、生活又都离不开电子产品，所以我们应更加关注电磁辐射的危害。渐渐地，电磁辐射防护服装就出现在了市场中，得到了大多数人的认可[6]。

想要防止静电的产生，就要减弱原电磁场的辐射。电磁屏蔽就是防电磁辐射的主要方式。电磁屏蔽的原理是运用低电阻率的导电材料对电磁流具有的反射和引导作用，在导体的材料内部产生与原磁场有差异的电流和磁极化，从而打造出了现在的防电磁辐射纺织品。

2.抗静电纺织品

静电一直困惑着我们，而纺织材料产生静电的原因不仅仅是我们皮肤干燥，最主要的原因就是纺织原料之间发生的摩擦。为解决这个问题我们研发出来了抗静电面料。现阶段抗静电纺织品的种类有PAN-PANI 有机抗静电纤维、Ascend[10]、PMMA 基抗静电纳米纤维。该类织品大多是用导电纤维制成的具有抗静电效果的工作服，适用于多种场合，也适合用制作无尘无菌服。

3.传感器纺织品

智能纺织品达到智能化的中枢部分就是传感器，柔性传感器具有柔软、可弯曲拉伸等特质，并在可穿戴方面的智能纺织品中施展着不可磨灭的作用。传感器纺织品是利用灵活的导电纤维通过电子传感器的原理制成的，并且具备轻便易携带的优点，广泛地应用于各个领域。在日本太阳产业公司的产品中就有所体现，他们用碳纤维建设了检测最大应变的传感器，可用于建筑物、道路、工厂、飞机、索道等布局的安全检测。