導(dǎo)電紡織品的研究現(xiàn)狀及展望

翟婭茹 沈蘭萍

(西安工程大學(xué)，陜西西安，710048)

通常情況下，紡織品在加工生產(chǎn)過程中會(huì)因摩擦產(chǎn)生靜電，這種現(xiàn)象在合成纖維中表現(xiàn)尤其明顯。合成纖維由于其疏水性表面容易積聚靜電荷，過多的靜電荷會(huì)引起灰塵附著、服裝糾纏肢體產(chǎn)生黏附感等現(xiàn)象。過高的靜電壓甚至?xí)?duì)人體產(chǎn)生危害，引起電器著火和火災(zāi)。因此，研究開發(fā)導(dǎo)電紡織品已成為關(guān)系到國計(jì)民生的問題。

1 導(dǎo)電纖維材料的分類

導(dǎo)電纖維出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，研究者們對(duì)導(dǎo)電纖維逐步進(jìn)行深層次的探索，開發(fā)出了不同類型的導(dǎo)電纖維，并且隨著加工工藝的不斷進(jìn)步，越來越多的導(dǎo)電纖維被應(yīng)用于紡織品上，導(dǎo)電紡織品自然而然也就產(chǎn)生了。

導(dǎo)電纖維通常是指在標(biāo)況下(20 ℃,65%RH)，比電阻小于1×107Ω·cm的纖維。目前，用于紡織品上的導(dǎo)電纖維有金屬導(dǎo)電纖維、碳系導(dǎo)電纖維和有機(jī)導(dǎo)電纖維三類。

1.1 金屬導(dǎo)電纖維

利用金屬材料的優(yōu)良導(dǎo)電性，將金屬材料經(jīng)過某一特定方法加工而成的用于紡織生產(chǎn)上的纖維稱為金屬導(dǎo)電纖維[2]。其加工方法主要有直接拉絲法和金屬噴涂法。出現(xiàn)最早的金屬纖維是美國Brunswick公司生產(chǎn)的不銹鋼纖維Brunsmet，它是通過直接拉絲法制成的，即不銹鋼絲反復(fù)穿過模具拉伸細(xì)化則產(chǎn)生不銹鋼纖維[3]。銅纖維和鋁纖維也是這樣生產(chǎn)的。金屬纖維具有良好的耐化學(xué)腐蝕性和柔軟性，導(dǎo)電性良好，但可紡性較差，所以一般與其他纖維混紡，不單獨(dú)制成織物用于生產(chǎn)。金屬噴涂法是將普通纖維先進(jìn)行表面處理，通過真空噴涂或化學(xué)電涂的方法使金屬沉降在處理過的纖維表面，而使普通纖維表現(xiàn)出類似金屬纖維一樣良好導(dǎo)電性的方法[4]。這種方法制得的金屬導(dǎo)電纖維牢度過低,所以通常情況下不用于民用纖維的生產(chǎn)。

1.2 碳素導(dǎo)電纖維

碳纖維最早出現(xiàn)在1959年。當(dāng)時(shí)，日本人將聚丙烯腈(PAD)纖維經(jīng)高溫炭化處理后得到了一種新纖維——碳，自此碳纖維誕生了[5]。碳纖維及其織物是電阻的負(fù)溫度系數(shù)導(dǎo)體，碳纖維的電阻傳感靈敏度高于不銹鋼纖維,但其織物的靈敏性卻低于不銹鋼纖維織物。碳纖維導(dǎo)電成分均一、強(qiáng)度高、潤滑性和耐熱性好、生產(chǎn)成本低，但它的顏色較深、分散能力較差，所以應(yīng)用領(lǐng)域比較狹窄，適合在復(fù)合材料中使用。

1.3 有機(jī)導(dǎo)電纖維

有機(jī)導(dǎo)電纖維制備方法不同，種類也不同，目前有導(dǎo)電聚合物纖維、普通合成纖維涂覆導(dǎo)電纖維、復(fù)合或共混導(dǎo)電纖維三類。

1.3.1 導(dǎo)電聚合物纖維

導(dǎo)電聚合物纖維是由導(dǎo)電高分子通過直接紡絲方法得到的有機(jī)導(dǎo)電纖維。常見的導(dǎo)電高分子物質(zhì)有聚吡咯、聚乙炔、聚苯胺等。導(dǎo)電聚合物纖維由于以下三個(gè)原因目前不用于紡織加工生產(chǎn)：第一，主鏈中的共軛結(jié)構(gòu)使纖維大分子鏈僵直、難溶，紡絲較難；第二，某些單體有毒甚至可能是致癌物質(zhì)；第三，生產(chǎn)加工工藝過于復(fù)雜導(dǎo)致成本較高，所以較難應(yīng)用。

1.3.2 普通合成纖維涂覆導(dǎo)電纖維

20世紀(jì)60年代末期，普通合成纖維表面涂覆炭黑的有機(jī)導(dǎo)電纖維出現(xiàn)了。漸漸地，許多以普通合成纖維為基體，通過特定方法(物理、化學(xué)、機(jī)械等)將金屬、碳、導(dǎo)電高分子物質(zhì)等涂覆在纖維表面上的有機(jī)導(dǎo)電纖維也被研究開發(fā)出來。但是這種導(dǎo)電纖維存在一定缺陷，其導(dǎo)電成分只是附著在纖維表面，多次摩擦和洗滌后容易脫落，致使纖維導(dǎo)電性下降，影響正常使用。

1.3.3 復(fù)合或共混導(dǎo)電纖維

復(fù)合或共混導(dǎo)電纖維是將普通纖維與炭黑或金屬氧化物復(fù)合而形成的一種有機(jī)導(dǎo)電纖維。與炭黑復(fù)合的有機(jī)導(dǎo)電纖維導(dǎo)電性持久，但因顏色較深其適用范圍受到限制，一般用于中等抗靜電要求的織物上；與金屬氧化物復(fù)合得到的有機(jī)導(dǎo)電纖維導(dǎo)電性較差，應(yīng)用于淺色民用紡織品上。復(fù)合型導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電成分主要分布在纖維的軸向上，有利于電荷的逸散，具有良好的導(dǎo)電性、耐腐蝕性，線密度和長度適中，綜合性能好，因此廣泛應(yīng)用于紡織工業(yè)生產(chǎn)、服裝和配飾上[6]。

2 紡織品結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電之間的關(guān)系

2.1 針織結(jié)構(gòu)

針織物是由無數(shù)個(gè)相同的線圈構(gòu)成的，導(dǎo)電針織物的電路可以看成由紗線間接觸電阻和無數(shù)小段紗線電阻組成的串并聯(lián)復(fù)雜電路。圖1表示導(dǎo)電針織物單位線圈的電阻等效電路圖。RC代表紗線間接觸電阻，RL代表各小段紗線電阻。

研究線圈紗段的轉(zhuǎn)移對(duì)織物電阻影響時(shí)[11]，可以先不考慮紗線間接觸電阻，電路圖等效為圖2。導(dǎo)電針織物的圈柱和圈弧在計(jì)算時(shí)近似相等，在圖2中都用RLa表示。當(dāng)織物在橫向受到拉伸應(yīng)力時(shí)，圈柱會(huì)向圈弧發(fā)生部分轉(zhuǎn)移，使得圈弧長度增加，圈柱長度相應(yīng)減小，從而導(dǎo)致圈弧電阻RLa增大，則圈柱電阻RLb相應(yīng)減小。圈弧由針編弧和沉降弧兩部分組成，本身長度就短，所以引起的紗段轉(zhuǎn)移變化很小?？紤]到針織物電阻是由復(fù)雜的串并聯(lián)電路形成的，所以電阻變化不會(huì)很明顯，即線圈紗段轉(zhuǎn)移對(duì)織物電阻影響不大。

圖2 紗段轉(zhuǎn)移引起織物電阻變化電路示意圖

2.2 機(jī)織結(jié)構(gòu)

機(jī)織物是由兩組紗線即經(jīng)紗和緯紗縱橫交織成的織物，其經(jīng)紗或緯紗是由若干單絲或復(fù)合絲加捻形成。從單純的電路角度來看，導(dǎo)電紗線的電阻可以看做由構(gòu)成它的若干根導(dǎo)電纖維形成的并聯(lián)電路。對(duì)于由導(dǎo)電紗形成的織物而言，當(dāng)每根導(dǎo)電經(jīng)紗或緯紗的頭部相連，尾部也都相連時(shí)，即導(dǎo)電紗線的經(jīng)紗或緯紗形成并聯(lián)方式時(shí)，這樣的導(dǎo)電紗形成的織物成為并聯(lián)式機(jī)織物[13]，其等效電路圖如圖3(a)所示，織物電阻則等效為若干根導(dǎo)電紗線電阻的并聯(lián)。

當(dāng)機(jī)織物中第一根導(dǎo)電經(jīng)紗或緯紗與第二根經(jīng)紗或緯紗的尾部相連，第二根導(dǎo)電經(jīng)紗或緯紗的頭部與第三根經(jīng)紗或緯紗頭部相連，第三根導(dǎo)電經(jīng)紗或緯紗的尾部與第四根經(jīng)紗或緯紗的尾部相連時(shí)，以此類推，以這樣的方式連接的導(dǎo)電紗形成的織物稱為串聯(lián)式機(jī)織物，其等效電路圖如圖3(b)所示。所以，若干根導(dǎo)電紗線電阻的串聯(lián)即可等效為串聯(lián)式機(jī)織物的電阻。

機(jī)織物在其經(jīng)向或緯向受到拉伸時(shí)，纖維或紗線在其軸向上必然會(huì)發(fā)生相應(yīng)應(yīng)變。我們可從單根導(dǎo)電纖維的電阻應(yīng)變?nèi)シ治稣麄€(gè)織物的電阻變化情況。

(a)并聯(lián)式

(b)串聯(lián)式

圖3 導(dǎo)電機(jī)織物等效電路圖

與金屬導(dǎo)體電阻定律相一致，單根導(dǎo)電纖維電阻為

(1)

上式中，ρ表示纖維電阻率(Ω·cm),是個(gè)常量；l表示纖維長度(cm)，π代表常數(shù)3.14；rf代表單根導(dǎo)電纖維的半徑(cm)，微分并積分后變形得單根導(dǎo)電纖維電阻應(yīng)變公式為

(2)

上式中，ρ0表示拉伸前導(dǎo)電纖維電阻率(Ω·cm)，l0表示拉伸前纖維長度(cm)，rf,0代表拉伸前單根導(dǎo)電纖維的半徑(cm)，應(yīng)變?chǔ)艦殚L度l的物理變化量，K反映了導(dǎo)電纖維電阻對(duì)長度拉伸應(yīng)變的靈敏度，即靈敏系數(shù)，與纖維自身材料有關(guān)，是定量。當(dāng)形成導(dǎo)電紗線的若干根纖維都沿纖維軸向發(fā)生應(yīng)變時(shí)，每根導(dǎo)電纖維的應(yīng)變則是相同的。當(dāng)機(jī)織物(并聯(lián)式或串聯(lián)式)在橫向或縱向發(fā)生應(yīng)變時(shí)，該方向上每根導(dǎo)電紗的應(yīng)變是相同的，由此可見，機(jī)織物電阻受織物在經(jīng)紗或緯紗方向上的應(yīng)變的影響較大。

3 導(dǎo)電紡織品的應(yīng)用

3.1 娛樂用導(dǎo)電紡織品

第一件用于通訊娛樂方面的服裝——音樂夾克誕生于20世紀(jì)90年代末[14]。它是由斯特勞斯公司和飛利浦研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研究的由碳纖維與彈性纖維制成的針織物的傳感結(jié)構(gòu)。飛利浦手機(jī)和飛利浦MP3播放器都可以由縫制在衣服上的導(dǎo)電碳纖維同步控制。

美國麻省理工學(xué)院的Maggie ORTH發(fā)明了一種“熒火蟲”裙子，由尼龍絲編織成獨(dú)立的兩層(一層提供電源，一層是基層)，里面裝有集成光發(fā)射三級(jí)管?！拔灮鹣x”裙子的原理是將帶有鉤環(huán)狀的紐扣裝在尼龍網(wǎng)中集成光發(fā)射三級(jí)管兩端，當(dāng)兩端紐扣同時(shí)接觸電源層和基層的控制面時(shí)，整個(gè)電路導(dǎo)通致使裙子發(fā)光發(fā)亮，并且著裝者的走路姿勢(shì)可以通過不斷變化的光來矯正。

美國麻省理工學(xué)院的研究人員利用不銹鋼纖維在織物上刺繡出不同的電路，從而研究設(shè)計(jì)出織物軟鍵盤。他們將導(dǎo)電纖維和絕緣纖維紗線交替排列進(jìn)行編織，研究開發(fā)出可用于測壓力的三層織物。金銀線與普通紗線形成的交織物組成織物的上下兩層，中間是起隔離上下兩層織物作用的稀疏的尼龍網(wǎng)。當(dāng)織物受到外界某一壓力時(shí)，上下兩層織物通過結(jié)構(gòu)稀疏的尼龍網(wǎng)的間隙相接觸，從而引起電位的變化。

3.2 可控制熱量的導(dǎo)電紡織品

Malden Mills使用高端技術(shù)研究開發(fā)了集保暖和舒適于一體的紡織品。他們開發(fā)了一種通過專用不銹鋼纖維進(jìn)行導(dǎo)熱的具有可洗性和柔軟性的羊毛，并且運(yùn)用該技術(shù)生產(chǎn)了一款電熱毯。這款電熱毯加熱均勻，沒有像傳統(tǒng)電熱毯那樣有明顯的電線紋路。 Malden Mills將此技術(shù)應(yīng)用于夾克衫上，從而研究開發(fā)出MET5夾克衫，其通過柔性開關(guān)控制可充電離子電池的工作與否，從而達(dá)到控制衣服內(nèi)部溫度的效果。其中的導(dǎo)電纖維不僅可以傳遞熱量，還可以傳遞數(shù)據(jù)，為真正的基于計(jì)算機(jī)的可穿戴電子設(shè)備打開了大門。

德國WarmX公司設(shè)計(jì)開發(fā)出一系列內(nèi)置發(fā)熱系統(tǒng)的內(nèi)衣產(chǎn)品，該發(fā)熱系統(tǒng)由微小型的鍍銀纖維與電池構(gòu)成，電池是可提供電源的充電式電池，銀涂聚酰胺纖維可以對(duì)皮膚直接進(jìn)行加熱。即使當(dāng)外界溫度非常低時(shí)，織物仍可直接讓皮膚產(chǎn)生熱的感覺，營造一個(gè)舒適的溫度。

3.3 醫(yī)療保健用紡織品

美國Reebok公司生產(chǎn)的智能運(yùn)動(dòng)鞋, 可以將穿著者的路程、消耗的熱量和運(yùn)動(dòng)速率準(zhǔn)確呈現(xiàn)出來，以后智能運(yùn)動(dòng)鞋的研究方向?qū)A向于測試穿著者的心率，并根據(jù)心跳快慢進(jìn)行選擇性播放音樂，必要時(shí)還可以調(diào)整音樂的節(jié)奏，從而使穿著者來調(diào)整步伐的快慢。

比利時(shí)實(shí)驗(yàn)室科研人員設(shè)計(jì)了一種可以用來連續(xù)長期監(jiān)測兒童生理狀況的服裝。此服裝將用不銹鋼編織的傳感器運(yùn)用于其中，織物傳感器、微型存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)處理器、報(bào)警器和傳輸電路等構(gòu)成整個(gè)服裝系統(tǒng)。織物傳感器用來測定兒童生理狀況的數(shù)據(jù)并保存至微型處理器中，通過單片機(jī)進(jìn)行分析，獲得兒童的呼吸速率和心電圖。另外還有 Carysse 等人(2004年)將不銹鋼紗線編入彈性帶里面，制成呼吸帶，從而獲得心電圖。

4 展望

導(dǎo)電紡織品的應(yīng)用前景非常廣闊，目前在智能紡織品上的應(yīng)用已成為一種趨勢(shì)。智能紡織品的出現(xiàn)是人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的必然要求，就我國而言，智能紡織品發(fā)展起步較晚，與發(fā)達(dá)國家相比差距較大。相信隨著時(shí)間的推移、科技水平的進(jìn)步以及各學(xué)科間的交叉融合，與之相關(guān)的導(dǎo)電紡織品的研究和應(yīng)用也有著更廣闊的市場。