紡織用導(dǎo)電纖維的研究與開發(fā)

紡織用導(dǎo)電纖維的研究與開發(fā)

現(xiàn)在，紡織機(jī)械在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。采用新型纖維和新紡織工藝制成的導(dǎo)電纖維紡織品用途不斷拓展,具有良好柔韌性的導(dǎo)電纖維受到了廣泛的關(guān)注。20世紀(jì)60年代人們開始研發(fā)導(dǎo)電纖維,隨著研究的不斷深入,不同類型的導(dǎo)電纖維被逐漸開發(fā),紡織用導(dǎo)電纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)已逐漸趨于成熟,其產(chǎn)品在抗靜電紡織品、屏蔽電磁波紡織品、智能紡織品和防偵察偽裝材料等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。1引領(lǐng)型纖維65%rh導(dǎo)電纖維通常是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(20℃,65%RH)電阻率小于107Ω·cm的纖維。目前紡織用導(dǎo)電纖維可分為三類,即金屬導(dǎo)電纖維、碳纖維和有機(jī)導(dǎo)電纖維。1.1不銹鋼纖維brunsmet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。最早問世的金屬導(dǎo)電纖維是美國Brunswick公司所生產(chǎn)的不銹鋼纖維Brunsmet,它是不銹鋼絲反復(fù)穿過模具精細(xì)拉伸制成的纖維。目前紡織用金屬纖維主要有不銹鋼纖維、銅纖維、鉛纖維等,金屬材料的纖維化方法包括拉伸法(單絲拉伸法、集束拉伸法)、熔融紡絲法、切削法、結(jié)晶析出法等,通常制成短纖維,與普通紡織纖維混紡織造。金屬纖維屬導(dǎo)電成分均一型的導(dǎo)電纖維,具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、耐熱性、耐化學(xué)腐蝕性、柔軟性,但比重大、抱合力小、可紡性相對(duì)較差,制成的高線密度纖維價(jià)格昂貴,成品色澤也受到一定的限制,另外,金屬纖維使用時(shí)需要在纖維外面包覆專門的電磁屏蔽層,以減少各纖維間的干擾。1.1.1銅纖維密度銅纖維具有十分優(yōu)良的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能,電阻率非常小,但線密度相對(duì)較高,目前所使用的銅絲線密度大概在4000dtex左右。銅纖維織制抗靜電織物可用于工作服等,有一定的開發(fā)價(jià)值。1.1.2黏合型鉛板法鉛纖維質(zhì)地柔軟、體積質(zhì)量大,有較廣的用途。鉛纖維非織造材料在蓄電池上使用取得了成功。經(jīng)過非織造工藝黏合而成的鉛板可以取代傳統(tǒng)蓄電池中的填滿海綿狀鉛的鉛板,作為電極使用。用該鉛纖維非織造材料制成的板柵組裝的樣品電池儲(chǔ)備容量達(dá)118min,遠(yuǎn)高于GB5008—1991國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo),這種材料應(yīng)用于鉛酸蓄電池,在車輛動(dòng)力電池領(lǐng)域內(nèi)有廣闊的應(yīng)用前景。1.1.3不銹鋼纖維在模板材料中的性能不銹鋼纖維拉拔絲是長(zhǎng)絲束,每束含數(shù)千根至數(shù)萬根不銹鋼纖維。在金屬纖維中不銹鋼纖維是應(yīng)用最廣泛的一種,其柔韌性好,直徑8μm的不銹鋼纖維的柔韌性與直徑13μm的麻纖維相當(dāng);并有良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性,完全耐硝酸、磷酸、堿和有機(jī)化學(xué)溶劑的腐蝕;耐熱性好,在氧化氣氛中,600℃高溫下可連續(xù)使用,是性能良好的耐高溫材料。由不銹鋼纖維織成的織物電阻隨溫度的提高而降低,具有很好的紡織應(yīng)用性能。1.2纖維增強(qiáng)材料碳纖維主要指含碳量高于90%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的無機(jī)高分子纖維,其中含碳量高于99%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的稱為石墨纖維。碳纖維屬于導(dǎo)電成分均一型導(dǎo)電纖維,其軸向強(qiáng)度和模量高,無蠕變,比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數(shù)小,耐藥品性好,纖維的密度小,X射線透過性好;缺點(diǎn)是耐沖擊性較差,容易損傷,在熱強(qiáng)酸作用下發(fā)生氧化,缺乏韌性,不耐彎折。碳纖維及其織物是電阻的負(fù)溫度系數(shù)導(dǎo)體,相對(duì)濕度對(duì)其導(dǎo)電性能的影響也不大,碳纖維的電阻傳感靈敏度高于不銹鋼纖維,但碳纖維織物的電阻傳感靈敏性反而不及不銹鋼纖維織物,因而其紡織應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)狹窄,一般只限于復(fù)合材料中使用。1.3耐化學(xué)試劑性能有機(jī)導(dǎo)電纖維的基本物理機(jī)械性能類似于普通的紡織纖維,紡織加工性能優(yōu)良,且染色性能和耐化學(xué)試劑性能良好,導(dǎo)電性能持久、不易受環(huán)境溫濕度的影響。有機(jī)導(dǎo)電纖維按制成方法可分為:由導(dǎo)電物質(zhì)直接聚合制成纖維,普通合成纖維涂覆導(dǎo)電物質(zhì)制成纖維以及導(dǎo)電物質(zhì)與高聚物復(fù)合或共混紡絲法制成纖維。其中復(fù)合型有機(jī)導(dǎo)電纖維綜合性能最為優(yōu)良,應(yīng)用也最為廣泛。1.3.1高聚物纖維在紡織品中的應(yīng)用導(dǎo)電聚合物纖維是由聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等導(dǎo)電高聚物直接紡絲而成。但導(dǎo)電聚合物纖維目前尚難應(yīng)用于紡織品,原因在于:其高聚物主鏈中的共扼結(jié)構(gòu)使分子鏈僵直,難溶解和熔融,對(duì)紡絲加工造成困難;另外,某些高聚物中的氧原子遇水極不穩(wěn)定,某些高聚物的單體有毒且懷疑是致癌物質(zhì);而且導(dǎo)電聚合物纖維復(fù)雜的合成工藝使其制造成本較為昂貴,因而較難應(yīng)用。1.3.2表面電物質(zhì)整理普通合成纖維涂覆導(dǎo)電纖維是以普通合成纖維為基體,將金屬、碳、導(dǎo)電高分子等導(dǎo)電物質(zhì)通過物理、機(jī)械、化學(xué)等手段涂覆在纖維表面而制成。由于這類導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電成分只覆蓋在基質(zhì)纖維表面,因而其導(dǎo)電性能與導(dǎo)電聚合物纖維相比有所下降,經(jīng)摩擦和洗滌后導(dǎo)電物質(zhì)也較易剝落,耐磨性和耐洗滌性差,影響了纖維的使用性能。1.3.3復(fù)合型有機(jī)導(dǎo)電纖維復(fù)合或共混導(dǎo)電纖維是采用碳黑、金屬氧化物、有機(jī)物等導(dǎo)電物質(zhì)與各種成纖高聚物經(jīng)紡絲法制成。此種纖維具有適當(dāng)?shù)木€密度、長(zhǎng)度、強(qiáng)度和柔曲性,與其他普通纖維易于抱合,容易進(jìn)行混紡或交織;同時(shí)還具有良好的耐摩擦、耐氧化及耐腐蝕能力,能耐受紡織加工和使用中的物理機(jī)械作用,用以與普通纖維混紡或交織時(shí)不影響織物的手感和外觀。復(fù)合型有機(jī)導(dǎo)電纖維中導(dǎo)電組分沿纖維軸向連續(xù),易于電荷逸散,要得到良好導(dǎo)電性能的復(fù)合型導(dǎo)電纖維關(guān)鍵在于提高導(dǎo)電物質(zhì)在基體中的分散性。其復(fù)合結(jié)構(gòu)分為導(dǎo)電組分外漏、部分外漏或內(nèi)藏型三種。導(dǎo)電組分外漏型的復(fù)合型有機(jī)導(dǎo)電纖維導(dǎo)電能力強(qiáng),但紡絲困難,且要求導(dǎo)電組分與高聚物有良好的黏合度,否則織物在使用的過程中兩組分容易分離;導(dǎo)電組分內(nèi)藏型的復(fù)合型有機(jī)導(dǎo)電纖維則具有優(yōu)良的可紡性和耐磨、耐彎折性,導(dǎo)電成分不易脫落,易于染色,但導(dǎo)電性能相對(duì)較低,使用于對(duì)導(dǎo)電要求較低的場(chǎng)合;而導(dǎo)電組分部分外漏型復(fù)合型有機(jī)導(dǎo)電纖維的使用性能則介于導(dǎo)電組分外漏型和導(dǎo)電纖維內(nèi)蔵型復(fù)合型有機(jī)導(dǎo)電纖維兩者之間。2紡織面料領(lǐng)域?qū)щ娎w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。采用導(dǎo)電纖維紡織品融合信息技術(shù)與紡織技術(shù)制成的智能紡織品等產(chǎn)品的應(yīng)用性能不斷提高。2.1防止靜電局部蓄積在工業(yè)生產(chǎn)中,靜電危害所造成的后果已不僅僅限于安全問題,靜電可造成電子元件損壞,靜電放電造成的頻譜干擾危害是導(dǎo)致電子設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)故障的直接原因之一。采用在普通織物中加入導(dǎo)電纖維的方法賦予織物導(dǎo)電性能,從而使織物上積蓄的電荷能盡快釋放掉,可有效地防止靜電局部蓄積。自DuPont公司于上世紀(jì)50年代推出Nomex這種在干燥條件下也能抗靜電的纖維后,導(dǎo)電纖維在抗靜電工作服方面起著越來越重要的作用。2002年,美國WLGore&Associates公司推出了Gore-Tex抗靜電工作服,這種工作服主要用于石化工業(yè),不同于以往將導(dǎo)電纖維織入普通織物的方法,這種抗靜電工作服采用納米導(dǎo)電碳顆粒制成的碳纖維直接壓膜制成導(dǎo)電基材,并由表層織物覆蓋導(dǎo)電基材薄膜對(duì)其進(jìn)行防護(hù)的材料,提高了抗靜電效果,也避免了導(dǎo)電碳顆粒纖維直接織制后由于摩擦洗滌等原因而脫落,Gore-Tex抗靜電工作服獲得了該年度的DuPontPlunkett獎(jiǎng)。2.2導(dǎo)電纖維纖維通過特定的工藝在普通纖維中按一定比例紡入導(dǎo)電纖維織成的織物,當(dāng)有電磁波輻射到織物表面時(shí),織物中均勻分布的導(dǎo)電纖維作為導(dǎo)電介質(zhì)能將電磁波轉(zhuǎn)化或傳遞出去,從而實(shí)現(xiàn)屏蔽。利用導(dǎo)電纖維對(duì)電磁波的屏蔽性,可將其用于制作精密電子元件、高頻焊接機(jī)等電磁波屏蔽罩,制作有特殊要求的房屋的墻壁、天花板等吸收無線電波的貼墻布等。日本應(yīng)用表面敷銅的導(dǎo)電纖維混紡或制成非織造布,現(xiàn)已大量用于電磁波屏蔽和吸收材料,如作輪船的電磁波吸收罩等。2.3服裝式智能運(yùn)動(dòng)服裝柔韌的導(dǎo)電纖維應(yīng)用電子傳感器的原理制成的傳感器紡織品,具有輕便易攜帶等優(yōu)點(diǎn),在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。日本太陽工業(yè)公司用碳纖維開發(fā)了檢測(cè)最大應(yīng)變的傳感器,可用于建筑物、道路、工廠、飛機(jī)、索道等結(jié)構(gòu)的安全診斷。Textronics公司于2005年研發(fā)的智能運(yùn)動(dòng)服裝將傳感器織入服裝面料,通過傳感器監(jiān)測(cè)穿著者的心率等健康狀態(tài)并將信息傳送到位于服裝上的轉(zhuǎn)換器中達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。2008年8月該公司又研發(fā)了新一代的升級(jí)版智能配套元件Textro-nicsDeveloper’sKit,這一配套元件采用彈性導(dǎo)電織物做電極的傳感器,能夠通過更為舒適的方式進(jìn)行系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)。智能傳感服裝將紡織品的舒適性與傳感器技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合。2.4導(dǎo)電纖維模擬材料未來的戰(zhàn)爭(zhēng)將是高技術(shù)條件下的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)。在這樣的戰(zhàn)爭(zhēng)中,作戰(zhàn)節(jié)奏快、攻防轉(zhuǎn)換頻繁,戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)瞬息萬變,傳統(tǒng)的士兵作戰(zhàn)裝備顯得嚴(yán)重落后。要提高現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中士兵的綜合作戰(zhàn)能力就必須提高士兵獲取、處理、傳遞信息的能力,使士兵對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的了解達(dá)到較高的水平,采用導(dǎo)電纖維制成的信息化服裝恰好切合了這一要求。大部分導(dǎo)電纖維對(duì)電、熱敏感,導(dǎo)電纖維織制成的織物能防止熱成像設(shè)備的偵察,由此可制成單兵熱成像防護(hù)服。導(dǎo)電纖維與樹脂、橡膠等低介電基體復(fù)合可制成電磁波吸收材料。該材料能夠吸收雷達(dá)波,躲避雷達(dá)的跟蹤,實(shí)現(xiàn)武器裝備“隱身”的目的。美國研制的變色軍服就是在織物中加入了導(dǎo)電纖維構(gòu)成導(dǎo)通電路,通過控制溫度使軍服中熱變色油墨發(fā)生變化,從而使軍服顏色根據(jù)外界環(huán)境色作出相應(yīng)的變化,成為一種環(huán)境反應(yīng)性偽裝色。3各類導(dǎo)電纖維的適用條件導(dǎo)電纖維作為一類重要的紡織用纖維已引起國內(nèi)外材料界的廣泛關(guān)注,其在服裝、裝飾、產(chǎn)業(yè)用紡織品中的應(yīng)用都有著很好的前景,鑒于其不同的分類與性能,在應(yīng)用過程中導(dǎo)電纖維的選擇顯得至關(guān)重要。各類導(dǎo)電纖維適宜的應(yīng)用條件如下:金屬導(dǎo)電纖維主要適用于對(duì)導(dǎo)電性能要求較高,密度高相對(duì)影響較小的材料,同時(shí)在使用時(shí)注意在纖維外面包覆專門的電磁屏蔽層,以減少各纖維間的干擾。碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)狹窄,主要適用于復(fù)合材料,碳纖維是電阻的負(fù)溫度系數(shù)導(dǎo)體并且密度小,因而特別適用于溫度變化大的環(huán)境,如航空航天領(lǐng)域。有機(jī)導(dǎo)電纖維主要適用于導(dǎo)電性能要求相對(duì)不高,紡織機(jī)械性能要求較高的材料。復(fù)合型有機(jī)導(dǎo)電纖維綜合