任務(wù)1-6 導(dǎo)電纖維

服裝材料開發(fā)與生產(chǎn)導(dǎo)電纖維常見產(chǎn)品導(dǎo)電纖維防靜電服微導(dǎo)電纖維手腳按摩器電磁屏蔽罩導(dǎo)電纖維編制的導(dǎo)電網(wǎng)高技術(shù)纖維概論第一節(jié)概述一、導(dǎo)電纖維的定義及其簡要介紹導(dǎo)電纖維通常是指在標準狀態(tài)下(20℃、65%相對濕度)、比電阻在107Ω·cm以下的纖維。

導(dǎo)電性能優(yōu)良的纖維，其比電阻在102～105Ω·cm，甚至小于10Ω·cm，而此時滌綸的比電阻大約為1014Ω·cm，腈綸為1013Ω·cm，丙綸為6.5

×1015Ω·cm。導(dǎo)電纖維是差別化纖維的重要品種之一，具有導(dǎo)電、電熱和抗電磁波輻射等功能。目前導(dǎo)電纖維的用途主要集中于制備特殊場合使用的抗靜電服或抗電磁波輻射的服裝等。高技術(shù)纖維概論二、導(dǎo)電纖維的性能導(dǎo)電纖維抗靜電導(dǎo)電纖維是以電子導(dǎo)電為機理的功能纖維，通過電子傳導(dǎo)和電暈放電來消除靜電?？闺姶泡椛洳捎玫碗娮杪实膶?dǎo)電材料對電磁流具有的反射和引導(dǎo)作用，在導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生與原磁場相反的電流和磁極化，從而減弱源電磁場的輻射效果。其他性能通過選擇功能性導(dǎo)電添加劑，還可以制備除導(dǎo)電功能以外具有其他多種功能的纖維材料，如抗菌，遠紅外等。高技術(shù)纖維概論三、導(dǎo)電纖維的發(fā)展概況(一)導(dǎo)電纖維的國內(nèi)外研究概況普通纖維表面處理如：鍍炭黑、金屬或表面涂層等第二代導(dǎo)電纖維按其開發(fā)過程，分為三個階段：金屬纖維如：Brunsmet不銹鋼纖維和“納斯綸”纖維第一代復(fù)合法紡導(dǎo)電纖維將導(dǎo)電成分與成纖聚合物進行復(fù)合法紡絲制備第三代高技術(shù)纖維概論四、導(dǎo)電纖維的分類根據(jù)導(dǎo)電纖維的特點，可以分為四大系列：金屬系導(dǎo)電纖維、碳黑系導(dǎo)電纖維、金屬化合物型導(dǎo)電纖維和聚合物導(dǎo)電纖維。導(dǎo)電纖維金屬系導(dǎo)電纖維炭黑系導(dǎo)電纖維金屬化合物型導(dǎo)電纖維聚合物導(dǎo)電纖維高技術(shù)纖維概論五、導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電機理及影響因素(一)導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電機理

導(dǎo)電纖維的本質(zhì)是導(dǎo)電填料在聚合物中的導(dǎo)電，其導(dǎo)電原理為:當導(dǎo)電填料在聚合物填充體系中的含量達到臨界點時，導(dǎo)電粒子在基體中形成導(dǎo)電通道，發(fā)生從絕緣體到半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，從而使聚合物材料的電阻急劇下降。

下面以碳黑為導(dǎo)電填充材料為例子來簡單介紹導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電機理。高技術(shù)纖維概論導(dǎo)電碳黑的導(dǎo)電機理:碳黑型導(dǎo)電纖維主要是采用了高結(jié)構(gòu)度的導(dǎo)電碳黑作為導(dǎo)電成分。普通碳黑的粒徑在400nm左右,其聚集體的尺寸也相應(yīng)較大，一般達到800nm。而導(dǎo)電碳黑聚集體是由粒徑為20～30nm的單個粒子,通過范德華力，形成尺度在100nm左右的三維聚集體(如右側(cè)圖所示)。這種聚集體具有高支化度的鏈狀結(jié)構(gòu),因此在絕緣的高分子基體中采用較低的填充量就可以形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。不同結(jié)構(gòu)度碳黑的聚集結(jié)構(gòu)示意圖導(dǎo)電(高結(jié)構(gòu))碳黑透射電鏡照片高技術(shù)纖維概論在碳黑填充聚合物中，電荷傳導(dǎo)是電荷沿著相接觸的粒子之間的傳遞進行的，或者是電荷在被分離成很小的間隙之間通過跳躍來進行的。復(fù)合材料中，隨著碳黑填充量的增加，電阻值在臨界體積處急劇降低。在聚合物中，碳黑填充量越大，處于分散狀態(tài)的碳黑粒子或碳黑粒子幾何體的密度也越大，粒子間的平均距離越小，相互接觸的幾率越高，碳黑粒子或碳黑粒子幾何體形成的導(dǎo)電通路也越多，材料的電阻也越低。高技術(shù)纖維概論機理(二)導(dǎo)電性能的影響因素1.導(dǎo)電粒子2.基體聚合物3.導(dǎo)電性能的外界依賴性高技術(shù)纖維概論導(dǎo)電粒子的粒徑、比表面積、結(jié)構(gòu)及其表面性質(zhì)等均會對其所填充材料的導(dǎo)電性能產(chǎn)生影響。理論上，所有聚合物都可以通過填充導(dǎo)電粒成低體積比電阻的復(fù)合材料，但實際上聚合物的性質(zhì)如表面張力、結(jié)晶性、黏度、相對分子質(zhì)量及分布等對所得復(fù)合材料導(dǎo)電性能有很大影響。導(dǎo)電粒子填充材料的體積比電阻往往還與使用條件有關(guān)，如溫度、壓力及環(huán)境條件等變化會改變其導(dǎo)電性能，利用這一特性可將導(dǎo)電纖維或材料制成各種傳感器，將溫度、壓力等外界刺激轉(zhuǎn)換為電信號。(三)纖維導(dǎo)電性能的表征1.電導(dǎo)率與電阻率

電導(dǎo)率（δ）定義為電阻率（ρ）的倒數(shù)，通常以西門子/厘米（S/cm）為單位。電導(dǎo)率是材料的體積特性，其測量與樣品的尺寸和幾何形狀有關(guān)。右下圖為測量電導(dǎo)率的四點探測器裝置。測量電導(dǎo)率的四點探測器則電阻率ρ（體積特性）通常由如下的關(guān)系式?jīng)Q定：ρ=（VM/IS）（πd/ln2）這里的VM是測量出的壓降，IS是已知的電流，d是樣品的厚度。2.比電阻

纖維材料都具有較高的比電阻（又稱電阻率），一般作為絕緣體。纖維本身固有的靜電性能或者說與材料尺寸無關(guān)的重要靜電參數(shù)之一就是比電阻。在體積、表面和總比電阻中由于體積比電阻的倒數(shù)就是電導(dǎo)率，所以一般測定纖維的體積比電阻。高技術(shù)纖維概論六、導(dǎo)電纖維的應(yīng)用及其市場前景

導(dǎo)電纖維廣泛應(yīng)用于抗靜電紡織品、屏蔽電磁波紡織品、智能紡織品和防偵察偽裝材料等領(lǐng)域。

抗靜電紡織品面料電磁波屏蔽紡織品傳感器紡織品軍工紡織品高技術(shù)纖維概論第二節(jié)導(dǎo)電纖維制備一、金屬系導(dǎo)電纖維的制備

(一)金屬系導(dǎo)電纖維的介紹及類別

金屬導(dǎo)電纖維是指由某些金屬材料通過特定的方法加工成的適宜用于紡織生產(chǎn)的纖維。金屬纖維的性能主要取決于所采用的材料的性質(zhì)與其加工方法和工藝。導(dǎo)電纖維銅纖維鉛纖維不銹鋼纖維高技術(shù)纖維概論(二)金屬系導(dǎo)電纖維的制備方法及工藝流程這類纖維是利用金屬的導(dǎo)電性能而制得的。主要方法有直接拉絲法,主要的金屬種類有不銹鋼、銅和鋁等。其他類似的方法還有如下幾種：切削法金屬鍍法高技術(shù)纖維概論

切削法是目前使用最廣泛的金屬纖維制造方法，既可制取短纖維，也可制取長纖維。按切削方式不同又可分為銑削法、車削法、刮削法和約束成型剪切法。低碳鋼鋼板銑刀銑削金屬鋼絲刮刀刮削薄鋼板動剪刀片剪切靜剪刀片剪切金屬纖維金屬纖維異型鋼纖維普通纖維混紡導(dǎo)電性織物切削法制備金屬系導(dǎo)電纖維的工藝流程圖1.切削法高技術(shù)纖維概論

在纖維表面涂覆導(dǎo)電材料層的方法有濕法金屬鍍、金屬真空鍍、金屬粒子涂布、金屬或金屬鹽的吸附或沉積、金屬噴涂、離子電鍍等。金屬鍍法是將普通纖維先進行表面處理，再用真空噴涂或化學鍍法將金屬沉積在纖維表面，使纖維具有金屬一樣的導(dǎo)電性。普通纖維濕法金屬鍍金屬真空鍍…….離子電鍍導(dǎo)電纖維金屬鍍法制備金屬系導(dǎo)電纖維示圖高技術(shù)纖維概論2.金屬鍍法二、炭黑系導(dǎo)電纖維的制備

(一)炭黑系導(dǎo)電纖維的介紹

炭纖維主要指含碳量高于90%（質(zhì)量分數(shù)）的無機高分子纖維，其中含碳量高于99%（質(zhì)量分數(shù)）的稱為石墨纖維。炭纖維導(dǎo)電性能良好，電阻率為10-3~10-5Ω·cm，但尚不能滿足電磁屏蔽的要求，需在纖維表面形成一層導(dǎo)電膜，提高電磁屏蔽效果。

高技術(shù)纖維概論(二)炭黑系導(dǎo)電纖維的制備方法及工藝流程

利用炭黑的導(dǎo)電性能來制造導(dǎo)電纖維，這是一種比較古老而普遍的方法，該方法可分為以下三類：涂層法、復(fù)合紡絲法和纖維炭化處理法。1.涂層法

涂層方法是采用黏合劑將碳黑黏合在纖維表面，或者直接將纖維表面快速軟化、并與碳黑黏合

。表面涂覆型導(dǎo)電纖維制造流程示意圖普通纖維普通纖維表面快速軟化與碳黑結(jié)合碳黑黏合在纖維表面黏合劑碳黑系導(dǎo)電纖維涂層法制備碳黑系導(dǎo)電纖維簡易流程圖高技術(shù)纖維概論

高導(dǎo)電碳黑的問世及復(fù)合紡絲技術(shù)的進步，給碳黑系導(dǎo)電纖維的發(fā)展帶來了生機，方法是將導(dǎo)電碳黑制得的母粒作為芯組分，常規(guī)聚合物作為皮組分，碳黑在纖維中成連續(xù)相結(jié)構(gòu)，賦予纖維導(dǎo)電性能。紡絲碳黑母粒導(dǎo)電碳黑芯組分皮組分常規(guī)聚合物混勻碳黑型導(dǎo)電纖維復(fù)合紡絲法制備碳黑系導(dǎo)電纖維簡易流程圖高技術(shù)纖維概論2.復(fù)合紡絲法纖維碳化處理

有些纖維，如聚丙烯腈纖維、纖維素纖維、瀝青系纖維等，經(jīng)碳化處理后，纖維的主鏈主要為碳原子，從而使纖維具有導(dǎo)電能力。采用較多的方法，還是丙烯腈系纖維的低溫碳化處理法。高技術(shù)纖維概論三、金屬化合物型導(dǎo)電纖維的制備

(一)金屬化合物型導(dǎo)電纖維的介紹

由于炭素材料均為黑色，制得的導(dǎo)電纖維為黑色或灰黑色，因而在使用上仍有一定的限制，隨著精細化工及冶金技術(shù)發(fā)展，部分淺色金屬化合物超細粉末體應(yīng)運而生，如CuI、SnO2、SnO2/Sb、SnO2/Ln、CuS、CuCl等，這些材料由于顏色淺、粒度細、導(dǎo)電性能良好而在導(dǎo)電纖維中廣泛使用，這些材料也是先制成高濃度聚合物母粒，再與常規(guī)聚合物紡絲制成淺色或白色導(dǎo)電纖維。

高技術(shù)纖維概論(二)金屬化合物型導(dǎo)電纖維的制備方法及工藝流程

利用這類導(dǎo)電化合物制備導(dǎo)電纖維時，共有三種方法：復(fù)合紡絲法、吸附法和化學反應(yīng)法。1.復(fù)合紡絲法

這種方法是將導(dǎo)電性物質(zhì)與成纖高聚物混合，再紡絲成型。該法與前述的碳黑復(fù)合紡絲法相似。根據(jù)復(fù)合紡絲時兩組分復(fù)合方式的不同，其截面形態(tài)可有以下幾種：導(dǎo)電組分與基體聚合物同心圓型、導(dǎo)電組分部分外漏型、并列型、芯鞘型、海島型等。2.吸附法

這里的吸附法有兩種機理，一種是常規(guī)吸附，與前述的碳黑吸附類似，可以通過黏合劑將導(dǎo)電化合物與纖維表面黏合。纖維可以是強極性的，也可以是弱極性的，或是致密結(jié)構(gòu)的，如PET。另一種是通過金屬離子與纖維絡(luò)合吸附，特別是含氮的纖維，如PAN。高技術(shù)纖維概論

這種方法主要通過化學處理，即通過反應(yīng)液的浸漬，在纖維表面產(chǎn)生吸附，然后通過化學反應(yīng)使金屬化合物覆蓋在纖維表面。金屬化合物普通纖維金屬化合物反應(yīng)液化學處理纖維表面產(chǎn)生吸附纖維浸漬反應(yīng)液中化學反應(yīng)金屬化合物型導(dǎo)電纖維化學反應(yīng)法制備金屬化合物型導(dǎo)電纖維簡易流程圖高技術(shù)纖維概論3.化學反應(yīng)法

聚合物導(dǎo)電纖維的制備方法及工藝流程

聚合物導(dǎo)電纖維意指無須加入其他導(dǎo)電材料和聚合物基體，而是由導(dǎo)電聚合物本身紡絲成型制得的導(dǎo)電纖維。由于導(dǎo)電聚合物難以熔融，所以這類導(dǎo)電纖維的制造主要采用溶液紡絲法，又因其溶劑難以揮發(fā)，目前報道的溶液紡絲方法主要是濕法和干濕法兩種。以聚苯胺（PAn）為例來介紹：PAn紡絲溶液過濾脫泡紡絲凝固預(yù)熱浴拉伸高溫熱板拉伸切斷洗滌干燥氧化及摻雜洗滌干燥PAn導(dǎo)電纖維PAn初生絲凝固后再進行后加工處理示意圖四、聚合物導(dǎo)電纖維的制備高技術(shù)纖維概論第三節(jié)聚苯胺導(dǎo)電纖維的研究進展一、聚苯胺的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)聚苯胺的結(jié)構(gòu)單元如下圖所示，其中y表示氧化—還原程度。氧化度不同的聚苯胺表現(xiàn)出不同的組份、結(jié)構(gòu)、顏色及電導(dǎo)特征，隨氧化度的提高聚苯胺依次表現(xiàn)為黃色、綠色、深藍、深紫色和黑色。不同氧化態(tài)的導(dǎo)電性是不同的,只有氧化單元數(shù)和還原單元數(shù)相等的中間氧化態(tài)(Emeraldiline,EBy=0.5)經(jīng)質(zhì)子酸摻雜后才可以成為導(dǎo)體。聚苯胺分子結(jié)構(gòu)示意圖高技術(shù)纖維概論1-yyn二、聚苯胺的導(dǎo)電機理

聚苯胺經(jīng)一般的質(zhì)子酸處理后，就可取得良好的摻雜效果，電導(dǎo)率提高十個數(shù)量級以上，基于不同的結(jié)構(gòu)，人們提出了不同的摻雜反應(yīng)機理，大多數(shù)研究者基于聚苯胺的結(jié)構(gòu)模型，認為聚苯胺分子中一定量醌結(jié)構(gòu)的存在是聚苯胺具有導(dǎo)電性的重要因素，導(dǎo)電機制較有說服力的是1987年MacDiarmid提出的極化子晶格模型。如下圖所示：聚苯胺分子結(jié)構(gòu)示意圖高技術(shù)纖維概論1-yyn

當用質(zhì)子酸處理時，質(zhì)子酸HA發(fā)生離解（A為Cl-，SO42-等），生成的氫質(zhì)子（H+）轉(zhuǎn)移至聚苯胺分子鏈上，使分子鏈中亞胺上的氮原子發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)，生成陽離子自由基，亞胺氮原子所帶的正電荷通過共軛作用沿分子鏈分散到鄰近的原子上，從而增加體系的穩(wěn)定性。正是摻雜后電荷在分子鏈上的遷移或鏈間躍遷，才使聚苯胺呈高導(dǎo)電性。只有當0<y<1時，陽離子自由基（極化子）沿分子鏈的遷移才能夠?qū)崿F(xiàn)。而當y=0.5，即分子鏈上氧化單元與還原單元相等時,最有利于電荷的遷移，故此時聚合產(chǎn)物導(dǎo)電性最好。習慣上y=0.5的聚苯胺稱為翠綠亞胺，這是制備導(dǎo)電聚苯胺所希望的理想結(jié)構(gòu)。高技術(shù)纖維概論三、聚苯胺導(dǎo)電纖維的制備方法(一)原位化學聚合法

原位化學聚合法又稱為現(xiàn)場吸附聚合法，根據(jù)工藝途徑的不同，可將原位化學聚合法概括地分為一步法和分步法。

一步法的特點是將織物浸入含有鹽酸或其他質(zhì)子酸的苯胺單體溶液中，再滴入氧化劑（或者浸入氧化劑溶液中）瞬間引發(fā)聚合，聚苯胺在織物表面和反應(yīng)液中同時進行鏈增長，此法可以獲得較厚的聚苯胺沉積層。一步法的缺點是產(chǎn)生的導(dǎo)電聚合物往往與織物結(jié)合不牢固，且聚苯胺同時在織物表面沉積和在溶液中生成，浪費原料。

分步法是先將苯胺單體吸附于織物表面，干燥后，浸于僅含氧化劑的介質(zhì)中，表面單體氧化聚合直接在織物表面形成導(dǎo)電層。分步聚合法不僅可以制備出導(dǎo)電性能良好、沉積均勻的聚苯胺薄膜，而且提高了聚苯胺與織物的結(jié)合牢度，節(jié)省了原料。

高技術(shù)纖維概論(二)涂層法

涂層法為將含有導(dǎo)電聚合物顆粒的分散液直接涂布在纖維或織物的表面，形成導(dǎo)電涂層或薄膜的方法。但是溶液涂覆受導(dǎo)電高聚物溶解性的限制，大多數(shù)導(dǎo)電聚合物是不溶的。所以該方法受到一定的限制。(三)交織法