APP下载

涤纶导电纤维研究进展

2022-01-14王花娥许黛芳周雅玲胡啟美

山东纺织科技 2021年6期
关键词:导电性涤纶导电

齐 钰,王花娥,许黛芳,周雅玲,胡啟美

(嘉兴学院,浙江 嘉兴 314000)

在纺织纤维材料中,通常把使用金属、有机导电材料或其他导电材料制得的纤维称为导电纤维。通常,导电纤维大致可以划分为均质型或是复合型两种[1]。均质型导电纤维一般指由一种主要的导电材料组成的纤维,而复合型导电纤维主要是由两种不同的材料组成,即导电和不可导电的部分,根据二者的构造关系,复合式的导电纤维还可以细化为涂层式和填充型两种[2]。导电纤维在智能纺织品和柔性传感器领域拥有巨大的应用潜力,将是未来高科技纺织产业的发展方向之一。

1 导电纤维的制备

常见的均质型导电纤维主要有碳素类和金属类两种。碳纤维本身具有十分优异的导电性,一般可以分为沥青基、黏胶基和聚丙烯腈基三种。金属纤维通常是依靠金属元素自身的特性实现导电功能,常见的金属导电纤维多为铝、铜及镍等,它们的主要制备方法有切削法、拉拔法、结晶析出法和熔抽法等,但由于这些方法的制作成本较高,故常使用普通纤维与金属纤维混纺的方式制备导电纱线,不仅成本低且易于操作,进一步纺制的织物的导电性能也很好,但由于金属纤维的摩擦系数较小,难以均匀混纺,从而使其应用受到一定限制。

绝大多数天然和合成纤维都不具备导电能力,不能满足生产生活中的抗静电需求,所以需要引入导电成分对其进行改性,进而实现抗静电及导电的目的。复合型导电纤维的成分可分为两种,即导电成分和不导电成分,通常以聚酯、聚酰胺和纤维素等不导电成分作为主体,以导电高分子、金属、碳元素等导电粒子为功能材料[3]构成,依据其结构之间的关系,复合型导电纤维又细分为填充型导电纤维和涂覆型导电纤维。

填充型导电纤维一般是指将纤维主体聚合物和其他导电颗粒充分混合,再通过常见的纺丝工艺法,如熔融纺丝、溶液纺丝等制成[4],也可以使用复合纺丝法,直接把导电粒子和纤维主体聚合物进行纺丝来制备复合型导电纤维,但此种方法导电粒子和主体聚合物的选择会受到很大限制,需要综合考虑它们的理化特性及相容性[5]。涂覆型导电纤维的制备是指在纤维表面覆盖导电涂层,以便在表面形成电子传递路径,从而使纤维具备导电性。它属于纤维后处理工艺,碳纳米粒子、金属类和导电高分子类等材料都是常用的导电涂层材料[6]。如可以使用浸渍法、水热法等方法,使氧化石墨烯等碳元素材料的碳离子附着在纤维表面,从而改善其导电性;采用化学镀、磁控溅射、真空镀、电镀等方法,把可以导电的金属材料涂覆在普通纤维表面得到导电纤维;通过原位聚合法、蒸汽法、黏合法等纤维后处理方法对纤维进行改性,使导电高分子类附着于纤维表面赋予其导电性[7]。

2 涤纶导电纤维的国内外研究现状

涤纶纤维(PET)是一种由有机二元酸和二元醇缩聚而成的聚酯经纺丝得到的合成纤维,也被叫做聚酯纤维。涤纶最大的优点是具有较好的机械强度、良好的拉伸性和抗收缩性,且抗皱性和保形性很好,具有可穿性好、制备工艺可控性好的特点。虽然由涤纶制成的衣物强度高、易洗快干,但由于聚酯大分子链中只有两个端羟基,故由其制成的织物具有亲水性、吸湿性和抗静电性差等缺点[8]。因此,需要通过改性使涤纶具有抗静电性、导电性等性能,拓宽涤纶的应用空间。

2.1 金属粒子改性涤纶纤维

金属粒子改性涤纶纤维的工艺主要有化学镀、真空镀、电镀、磁控溅射等。化学镀是通过采用合适的还原性溶剂,使各种金属离子被还原并沉积到纤维表面的一种镀膜处理技术,不需要外加任何电源,因此也可以称为自催化镀或者无电解性镀。真空镀是指在真空中加热金属,使其在纤维的表面镀上一层薄且均匀的金属镀层。电镀的工作原理是利用电解,将各种金属离子进行还原并黏附于纤维表面。磁控溅射是使用粒子轰击金属表面,使被轰出来的金属颗粒沉积在纤维表面从而形成镀膜。这些方法都能够在涤纶纤维表面上沉积导电金属材料,导电涂层,具备导电性。

王秋萍等人[9]研究了高温无钯活性镍源和化学镀的方法,并成功制备了镀镍涤纶非织造布,经研究发现在镀覆温度为50 ℃、pH值约为9、化学镀镍主盐硫酸镍浓度为0.1 mol/L、时间约为60 min的条件下,制备得到的PET镀镍非织造布的导电性能最佳。化学镀镍相比于普通电镀,能在各种镀件表层获得均镀效果较优的电镀层,具有镀层结合强度高、孔隙率小、硬度高、热处理温度低、耐蚀、耐磨和电特性优良等综合性能,已在航空、航天、化工等工业领域进行了广泛应用[10]。但由于化学镀废水中加入的络合剂也能吸附镍离子,若随意排放会对环境造成污染,且重金属捕捉剂、螯合剂等方法都无法解决这个问题,因此除镍成为亟待解决的行业难题。

2.2 氧化石墨烯改性涤纶纤维

石墨烯是一种二维层状的碳单质,其碳原子呈六边形晶格结构排列,由SP2杂化形成,是碳的同素异形体。单层碳原子的独特排列结构使其具备了优良的导热、力学及光透过性能,同时具有很大的比表面积和铁磁性,是目前室温条件下最好的导电材料。目前许多以石墨烯为原料制备的复合导电材料正在兴起,其中石墨烯改性涤纶纤维便是纺织纤维领域的一大研究热点。但由于石墨烯具有较高的化学惰性且片层之间有强烈的相互作用,使它难以均匀地从聚合物中剥离和分散,很大因素上影响了复合纤维的制备[11]。氧化石墨烯作为石墨烯的衍生物,分子结构中包含了许多具有水溶性的羧基、羟基、环氧基等极性基团,因此它在亲水性、对纤维的亲和力和结合力等方面具有明显的优势,有助于提高涤纶纤维的导电性。

2.3 导电聚合物改性涤纶纤维

导电聚合物是一种有机导电的化学高分子,它的导电电阻率一般处于导体和半导体之间,拥有单双键和重复性组成单元,利于半导体和微粒间形成共轭键而具有较高的导电性。导电聚合物的主要特点是密度低且不容易被腐蚀,相比于其他金属和传统聚合物,既具备了容易生产加工、生产费用低廉等优点,还具有良好的电学性能,因此被广泛应用在纺织领域。在导电聚合物中,聚苯胺、聚毗咯和聚噻吩易于制备,且具有导电性、稳定性和生物相容性好及表面改性容易、比表面积大等优点[12],故而适用于涤纶的改性研究。

2.3.1聚苯胺改性涤纶纤维

聚苯胺不仅易合成,且电导率易于调节、稳定性也较好,在刚性或柔性表面上都具有良好的附着力,是导电率最高的低成本高分子化合物之一[13]。聚苯胺/涤纶导电织物可以通过与涤纶纱线复合制备而成,兼具涤纶和聚苯胺的优良特性。彭勇刚等人[14]对原位聚合中的碱减量预处理工艺、各实验参数对聚苯胺/PET导电织物的导电性影响进行了研究,实验表明织物的电导率会随着氢氧化钠使用量的增减发生变化,且随着碱处理时间的增加,织物的电导率会逐步提高,即先采用碱减量工艺对涤纶织物表面进行处理,再通过吸附-原位聚合法制作聚苯胺/PET导电织物,可以使织物的电导率显著提高。

2.3.2聚吡咯改性涤纶纤维

聚吡咯具有比较稳定的性能,有导电性高、附着力好、无毒、易成膜等优点,是智能纺织品领域中最重要的导电材料之一。它与其他纤维复合时可以通过改变掺杂程度来调节导电性,有可以直接聚合、生物相容性好的特点。

王晓菲、万爱兰[15]以涤纶织物为基布,使用原位聚合法制备了聚吡咯/银导电PET织物,并研究出了最佳的制备工艺,结果表明,当紫外线辐照时间8小时时,织物表面的电阻会降到最低,导电性能达到最佳。使用原位聚合法,再氧化还原合成聚吡咯薄膜,具有生产过程简单、反应过程易控制、制作成本低、织物导电性能好等优点,适于大规模生产。

姜珊等人[16]对涤纶进行表面改性时运用的是亚真空等离子体处理技术,再采用原位聚合的方式制备聚吡咯/PET复合导电材料。如图1所示,利用亚真空等离子体处理工艺所制备的高速活性粒子,轰击在PET表面的时侯会产生很多细小的凹坑,这有效增大了PET的表面积以及纤维表面的粗糙度,还保留了涤纶纤维原有的力学性能,最终制备而成的复合导电纱线的导电性有了显著提高。等离子体处理法可以增大纤维表面的粗糙程度,从而使导电聚合物与织物复合时的界面黏结强度增强,使导电纤维织物表面导电薄膜的完整性与均匀性得到改善,极大地增强了织物的导电性能,具有无污染、成本低、耗能较低等优点。

图1 离子体处理前后涤纶纱和复合导电纱线的扫描电镜照片(x5000)[16]

2.3.3聚噻吩改性涤纶纤维

聚噻吩具备尺寸小和较宽的导电范围等特性,其导电能力可以从绝缘到接近金属范围内调控。李世慧等人[17]以涤纶作为基布,采取原位聚合的方式制作了聚噻吩/PET导电聚合物。在制备过程中,氧化剂是无水氯化铁、溶剂是氯仿,在涤纶织物溶胀的过程中使聚噻吩在织物表面发生聚合。使用这种方式制得的聚噻吩/涤纶导电复合织物具有良好的导电性能,且耐摩擦性能佳、制备流程较好操作,所需时间短且能源消耗少。

3 涤纶导电纤维在智能纺织品中的应用

随着人们对服装功能性及舒适度要求的日渐提高,智能纺织品迅速发展。智能纺织品是把传统纺织品与电子信息技术相结合的一种新型纺织品,它发展的关键是使功能元件和导电电路的柔性化,其中开发和研究柔性传感器是当前最重要的课题之一。

柔性传感器是可以把非电学的物理、化学和生物量等转换为电信号的、具有一定柔性的装置。它和刚性传感器相比较,具有体积较小、延展性优良、柔软性好等优点,主要由导电纱线编织而成(如图2所示)[18],可以导电、弯曲、折叠,主要通过把电子元件嵌入织物,把导电纱线织入织物,采用具有涂层的间隔织物和导电高聚物薄膜实现[19]。基于导电纤维的柔性传感器可以将导电纤维或导电织物产生的机械变形转换为电子信号输出,且其质地柔软、拉伸性能良好,可以直接贴合皮肤或直接织入服装中,可用于人体健康监测[20]。涤纶作为最常用的合成纤维,具有耐洗涤、制备工艺可控性好等特点,是制作柔性传感器和导电电路的理想基材,通过前文介绍的涤纶改性方法,可使涤纶具备导电性,从而提高智能纺织品的功能性和用户舒适度。

图2 柔性传感器[18]

4 结语

导电纤维在生产生活应用广泛,制备复合型导电纤维中的涂覆型导电纤维对涤纶改性有很大的参考价值。目前智能纺织品发展迅速,由于导电纤维具有优良的导电性和柔韧性,已成为制备柔性传感器的重要材料之一,涤纶经导电改性后不仅具备导电性,还有穿戴舒适、耐洗涤等优点,是制作柔性传感器的理想基材,可广泛应用于智能纺织品制造,具有广阔的市场前景。

猜你喜欢

导电性涤纶导电
无Sn-Pd活化法制备PANI/Cu导电织物
涤纶短纤维干热收缩率测量不确定度分析
影响涤纶短纤维干热收缩率因素探讨
Ag NWs@SH-GO复合透明导电薄膜的制备与电学性能
涤纶十字异型色丝生产工艺实验分析
加入超高分子量聚合物的石墨烯纤维导电性优异
导电的风筝
堺化学开发具导电性二氧化钛微粒
嵌件电泳失效原因揭秘
模板法制备聚苯胺纳米管及性能应用