纺织用导电纤维的研究与开发

纺织用导电纤维的研究与开发

现在，纺织机械在工业生产中发挥着越来越重要的作用。采用新型纤维和新纺织工艺制成的导电纤维纺织品用途不断拓展,具有良好柔韧性的导电纤维受到了广泛的关注。20世纪60年代人们开始研发导电纤维,随着研究的不断深入,不同类型的导电纤维被逐渐开发,纺织用导电纤维的生产和应用技术已逐渐趋于成熟,其产品在抗静电纺织品、屏蔽电磁波纺织品、智能纺织品和防侦察伪装材料等领域都有着广泛的应用。1引领型纤维65%rh导电纤维通常是指在标准状态下(20℃,65%RH)电阻率小于107Ω·cm的纤维。目前纺织用导电纤维可分为三类,即金属导电纤维、碳纤维和有机导电纤维。1.1不锈钢纤维brunsmet金属导电纤维是指由某些金属材料通过特定的方法加工成的适宜用于纺织生产的纤维。金属纤维的性能主要取决于所采用的材料的性质与其加工方法和工艺。最早问世的金属导电纤维是美国Brunswick公司所生产的不锈钢纤维Brunsmet,它是不锈钢丝反复穿过模具精细拉伸制成的纤维。目前纺织用金属纤维主要有不锈钢纤维、铜纤维、铅纤维等,金属材料的纤维化方法包括拉伸法(单丝拉伸法、集束拉伸法)、熔融纺丝法、切削法、结晶析出法等,通常制成短纤维,与普通纺织纤维混纺织造。金属纤维属导电成分均一型的导电纤维,具有优良的导电性、耐热性、耐化学腐蚀性、柔软性,但比重大、抱合力小、可纺性相对较差,制成的高线密度纤维价格昂贵,成品色泽也受到一定的限制,另外,金属纤维使用时需要在纤维外面包覆专门的电磁屏蔽层,以减少各纤维间的干扰。1.1.1铜纤维密度铜纤维具有十分优良的导电性能和导热性能,电阻率非常小,但线密度相对较高,目前所使用的铜丝线密度大概在4000dtex左右。铜纤维织制抗静电织物可用于工作服等,有一定的开发价值。1.1.2黏合型铅板法铅纤维质地柔软、体积质量大,有较广的用途。铅纤维非织造材料在蓄电池上使用取得了成功。经过非织造工艺黏合而成的铅板可以取代传统蓄电池中的填满海绵状铅的铅板,作为电极使用。用该铅纤维非织造材料制成的板栅组装的样品电池储备容量达118min,远高于GB5008—1991国家标准规定的指标,这种材料应用于铅酸蓄电池,在车辆动力电池领域内有广阔的应用前景。1.1.3不锈钢纤维在模板材料中的性能不锈钢纤维拉拔丝是长丝束,每束含数千根至数万根不锈钢纤维。在金属纤维中不锈钢纤维是应用最广泛的一种,其柔韧性好,直径8μm的不锈钢纤维的柔韧性与直径13μm的麻纤维相当;并有良好的机械性能和耐腐蚀性,完全耐硝酸、磷酸、碱和有机化学溶剂的腐蚀;耐热性好,在氧化气氛中,600℃高温下可连续使用,是性能良好的耐高温材料。由不锈钢纤维织成的织物电阻随温度的提高而降低,具有很好的纺织应用性能。1.2纤维增强材料碳纤维主要指含碳量高于90%质量分数的无机高分子纤维,其中含碳量高于99%质量分数的称为石墨纤维。碳纤维属于导电成分均一型导电纤维,其轴向强度和模量高,无蠕变,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小,耐药品性好,纤维的密度小,X射线透过性好;缺点是耐冲击性较差,容易损伤,在热强酸作用下发生氧化,缺乏韧性,不耐弯折。碳纤维及其织物是电阻的负温度系数导体,相对湿度对其导电性能的影响也不大,碳纤维的电阻传感灵敏度高于不锈钢纤维,但碳纤维织物的电阻传感灵敏性反而不及不锈钢纤维织物,因而其纺织应用领域相对狭窄,一般只限于复合材料中使用。1.3耐化学试剂性能有机导电纤维的基本物理机械性能类似于普通的纺织纤维,纺织加工性能优良,且染色性能和耐化学试剂性能良好,导电性能持久、不易受环境温湿度的影响。有机导电纤维按制成方法可分为:由导电物质直接聚合制成纤维,普通合成纤维涂覆导电物质制成纤维以及导电物质与高聚物复合或共混纺丝法制成纤维。其中复合型有机导电纤维综合性能最为优良,应用也最为广泛。1.3.1高聚物纤维在纺织品中的应用导电聚合物纤维是由聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等导电高聚物直接纺丝而成。但导电聚合物纤维目前尚难应用于纺织品,原因在于:其高聚物主链中的共扼结构使分子链僵直,难溶解和熔融,对纺丝加工造成困难;另外,某些高聚物中的氧原子遇水极不稳定,某些高聚物的单体有毒且怀疑是致癌物质;而且导电聚合物纤维复杂的合成工艺使其制造成本较为昂贵,因而较难应用。1.3.2表面电物质整理普通合成纤维涂覆导电纤维是以普通合成纤维为基体,将金属、碳、导电高分子等导电物质通过物理、机械、化学等手段涂覆在纤维表面而制成。由于这类导电纤维的导电成分只覆盖在基质纤维表面,因而其导电性能与导电聚合物纤维相比有所下降,经摩擦和洗涤后导电物质也较易剥落,耐磨性和耐洗涤性差,影响了纤维的使用性能。1.3.3复合型有机导电纤维复合或共混导电纤维是采用碳黑、金属氧化物、有机物等导电物质与各种成纤高聚物经纺丝法制成。此种纤维具有适当的线密度、长度、强度和柔曲性,与其他普通纤维易于抱合,容易进行混纺或交织;同时还具有良好的耐摩擦、耐氧化及耐腐蚀能力,能耐受纺织加工和使用中的物理机械作用,用以与普通纤维混纺或交织时不影响织物的手感和外观。复合型有机导电纤维中导电组分沿纤维轴向连续,易于电荷逸散,要得到良好导电性能的复合型导电纤维关键在于提高导电物质在基体中的分散性。其复合结构分为导电组分外漏、部分外漏或内藏型三种。导电组分外漏型的复合型有机导电纤维导电能力强,但纺丝困难,且要求导电组分与高聚物有良好的黏合度,否则织物在使用的过程中两组分容易分离;导电组分内藏型的复合型有机导电纤维则具有优良的可纺性和耐磨、耐弯折性,导电成分不易脱落,易于染色,但导电性能相对较低,使用于对导电要求较低的场合;而导电组分部分外漏型复合型有机导电纤维的使用性能则介于导电组分外漏型和导电纤维内蔵型复合型有机导电纤维两者之间。2纺织面料领域导电纤维广泛应用于抗静电纺织品、屏蔽电磁波纺织品、智能纺织品和防侦察伪装材料等领域。采用导电纤维纺织品融合信息技术与纺织技术制成的智能纺织品等产品的应用性能不断提高。2.1防止静电局部蓄积在工业生产中,静电危害所造成的后果已不仅仅限于安全问题,静电可造成电子元件损坏,静电放电造成的频谱干扰危害是导致电子设备运转故障的直接原因之一。采用在普通织物中加入导电纤维的方法赋予织物导电性能,从而使织物上积蓄的电荷能尽快释放掉,可有效地防止静电局部蓄积。自DuPont公司于上世纪50年代推出Nomex这种在干燥条件下也能抗静电的纤维后,导电纤维在抗静电工作服方面起着越来越重要的作用。2002年,美国WLGore&Associates公司推出了Gore-Tex抗静电工作服,这种工作服主要用于石化工业,不同于以往将导电纤维织入普通织物的方法,这种抗静电工作服采用纳米导电碳颗粒制成的碳纤维直接压膜制成导电基材,并由表层织物覆盖导电基材薄膜对其进行防护的材料,提高了抗静电效果,也避免了导电碳颗粒纤维直接织制后由于摩擦洗涤等原因而脱落,Gore-Tex抗静电工作服获得了该年度的DuPontPlunkett奖。2.2导电纤维纤维通过特定的工艺在普通纤维中按一定比例纺入导电纤维织成的织物,当有电磁波辐射到织物表面时,织物中均匀分布的导电纤维作为导电介质能将电磁波转化或传递出去,从而实现屏蔽。利用导电纤维对电磁波的屏蔽性,可将其用于制作精密电子元件、高频焊接机等电磁波屏蔽罩,制作有特殊要求的房屋的墙壁、天花板等吸收无线电波的贴墙布等。日本应用表面敷铜的导电纤维混纺或制成非织造布,现已大量用于电磁波屏蔽和吸收材料,如作轮船的电磁波吸收罩等。2.3服装式智能运动服装柔韧的导电纤维应用电子传感器的原理制成的传感器纺织品,具有轻便易携带等优点,在各个领域都有广泛的应用。日本太阳工业公司用碳纤维开发了检测最大应变的传感器,可用于建筑物、道路、工厂、飞机、索道等结构的安全诊断。Textronics公司于2005年研发的智能运动服装将传感器织入服装面料,通过传感器监测穿着者的心率等健康状态并将信息传送到位于服装上的转换器中达到实时监测的目的。2008年8月该公司又研发了新一代的升级版智能配套元件Textro-nicsDeveloper’sKit,这一配套元件采用弹性导电织物做电极的传感器,能够通过更为舒适的方式进行系统的健康监测。智能传感服装将纺织品的舒适性与传感器技术进行了有机的结合。2.4导电纤维模拟材料未来的战争将是高技术条件下的信息化战争。在这样的战争中,作战节奏快、攻防转换频繁,战场态势瞬息万变,传统的士兵作战装备显得严重落后。要提高现代战场中士兵的综合作战能力就必须提高士兵获取、处理、传递信息的能力,使士兵对战场态势的了解达到较高的水平,采用导电纤维制成的信息化服装恰好切合了这一要求。大部分导电纤维对电、热敏感,导电纤维织制成的织物能防止热成像设备的侦察,由此可制成单兵热成像防护服。导电纤维与树脂、橡胶等低介电基体复合可制成电磁波吸收材料。该材料能够吸收雷达波,躲避雷达的跟踪,实现武器装备“隐身”的目的。美国研制的变色军服就是在织物中加入了导电纤维构成导通电路,通过控制温度使军服中热变色油墨发生变化,从而使军服颜色根据外界环境色作出相应的变化,成为一种环境反应性伪装色。3各类导电纤维的适用条件导电纤维作为一类重要的纺织用纤维已引起国内外材料界的广泛关注,其在服装、装饰、产业用纺织品中的应用都有着很好的前景,鉴于其不同的分类与性能,在应用过程中导电纤维的选择显得至关重要。各类导电纤维适宜的应用条件如下:金属导电纤维主要适用于对导电性能要求较高,密度高相对影响较小的材料,同时在使用时注意在纤维外面包覆专门的电磁屏蔽层,以减少各纤维间的干扰。碳纤维应用领域相对狭窄,主要适用于复合材料,碳纤维是电阻的负温度系数导体并且密度小,因而特别适用于温度变化大的环境,如航空航天领域。有机导电纤维主要适用于导电性能要求相对不高,纺织机械性能要求较高的材料。复合型有机导电纤维综合