滌綸導電纖維研究進展

齊 鈺，王花娥，許黛芳，周雅玲，胡啟美

(嘉興學院，浙江 嘉興 314000)

在紡織纖維材料中，通常把使用金屬、有機導電材料或其他導電材料制得的纖維稱為導電纖維。通常，導電纖維大致可以劃分為均質(zhì)型或是復合型兩種[1]。均質(zhì)型導電纖維一般指由一種主要的導電材料組成的纖維，而復合型導電纖維主要是由兩種不同的材料組成，即導電和不可導電的部分，根據(jù)二者的構(gòu)造關系，復合式的導電纖維還可以細化為涂層式和填充型兩種[2]。導電纖維在智能紡織品和柔性傳感器領域擁有巨大的應用潛力，將是未來高科技紡織產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向之一。

1 導電纖維的制備

常見的均質(zhì)型導電纖維主要有碳素類和金屬類兩種。碳纖維本身具有十分優(yōu)異的導電性，一般可以分為瀝青基、黏膠基和聚丙烯腈基三種。金屬纖維通常是依靠金屬元素自身的特性實現(xiàn)導電功能，常見的金屬導電纖維多為鋁、銅及鎳等，它們的主要制備方法有切削法、拉拔法、結(jié)晶析出法和熔抽法等，但由于這些方法的制作成本較高，故常使用普通纖維與金屬纖維混紡的方式制備導電紗線，不僅成本低且易于操作，進一步紡制的織物的導電性能也很好，但由于金屬纖維的摩擦系數(shù)較小，難以均勻混紡，從而使其應用受到一定限制。

絕大多數(shù)天然和合成纖維都不具備導電能力，不能滿足生產(chǎn)生活中的抗靜電需求，所以需要引入導電成分對其進行改性，進而實現(xiàn)抗靜電及導電的目的。復合型導電纖維的成分可分為兩種，即導電成分和不導電成分，通常以聚酯、聚酰胺和纖維素等不導電成分作為主體，以導電高分子、金屬、碳元素等導電粒子為功能材料[3]構(gòu)成，依據(jù)其結(jié)構(gòu)之間的關系，復合型導電纖維又細分為填充型導電纖維和涂覆型導電纖維。

填充型導電纖維一般是指將纖維主體聚合物和其他導電顆粒充分混合，再通過常見的紡絲工藝法，如熔融紡絲、溶液紡絲等制成[4]，也可以使用復合紡絲法，直接把導電粒子和纖維主體聚合物進行紡絲來制備復合型導電纖維，但此種方法導電粒子和主體聚合物的選擇會受到很大限制，需要綜合考慮它們的理化特性及相容性[5]。涂覆型導電纖維的制備是指在纖維表面覆蓋導電涂層，以便在表面形成電子傳遞路徑，從而使纖維具備導電性。它屬于纖維后處理工藝，碳納米粒子、金屬類和導電高分子類等材料都是常用的導電涂層材料[6]。如可以使用浸漬法、水熱法等方法，使氧化石墨烯等碳元素材料的碳離子附著在纖維表面，從而改善其導電性；采用化學鍍、磁控濺射、真空鍍、電鍍等方法，把可以導電的金屬材料涂覆在普通纖維表面得到導電纖維；通過原位聚合法、蒸汽法、黏合法等纖維后處理方法對纖維進行改性，使導電高分子類附著于纖維表面賦予其導電性[7]。

2 滌綸導電纖維的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

滌綸纖維(PET)是一種由有機二元酸和二元醇縮聚而成的聚酯經(jīng)紡絲得到的合成纖維，也被叫做聚酯纖維。滌綸最大的優(yōu)點是具有較好的機械強度、良好的拉伸性和抗收縮性，且抗皺性和保形性很好，具有可穿性好、制備工藝可控性好的特點。雖然由滌綸制成的衣物強度高、易洗快干，但由于聚酯大分子鏈中只有兩個端羥基，故由其制成的織物具有親水性、吸濕性和抗靜電性差等缺點[8]。因此，需要通過改性使滌綸具有抗靜電性、導電性等性能，拓寬滌綸的應用空間。

2.1 金屬粒子改性滌綸纖維

金屬粒子改性滌綸纖維的工藝主要有化學鍍、真空鍍、電鍍、磁控濺射等?；瘜W鍍是通過采用合適的還原性溶劑，使各種金屬離子被還原并沉積到纖維表面的一種鍍膜處理技術，不需要外加任何電源，因此也可以稱為自催化鍍或者無電解性鍍。真空鍍是指在真空中加熱金屬，使其在纖維的表面鍍上一層薄且均勻的金屬鍍層。電鍍的工作原理是利用電解，將各種金屬離子進行還原并黏附于纖維表面。磁控濺射是使用粒子轟擊金屬表面，使被轟出來的金屬顆粒沉積在纖維表面從而形成鍍膜。這些方法都能夠在滌綸纖維表面上沉積導電金屬材料，導電涂層，具備導電性。

王秋萍等人[9]研究了高溫無鈀活性鎳源和化學鍍的方法，并成功制備了鍍鎳滌綸非織造布，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在鍍覆溫度為50 ℃、pH值約為9、化學鍍鎳主鹽硫酸鎳濃度為0.1 mol/L、時間約為60 min的條件下，制備得到的PET鍍鎳非織造布的導電性能最佳。化學鍍鎳相比于普通電鍍，能在各種鍍件表層獲得均鍍效果較優(yōu)的電鍍層，具有鍍層結(jié)合強度高、孔隙率小、硬度高、熱處理溫度低、耐蝕、耐磨和電特性優(yōu)良等綜合性能，已在航空、航天、化工等工業(yè)領域進行了廣泛應用[10]。但由于化學鍍廢水中加入的絡合劑也能吸附鎳離子，若隨意排放會對環(huán)境造成污染，且重金屬捕捉劑、螯合劑等方法都無法解決這個問題，因此除鎳成為亟待解決的行業(yè)難題。

2.2 氧化石墨烯改性滌綸纖維

石墨烯是一種二維層狀的碳單質(zhì)，其碳原子呈六邊形晶格結(jié)構(gòu)排列，由SP2雜化形成，是碳的同素異形體。單層碳原子的獨特排列結(jié)構(gòu)使其具備了優(yōu)良的導熱、力學及光透過性能，同時具有很大的比表面積和鐵磁性，是目前室溫條件下最好的導電材料。目前許多以石墨烯為原料制備的復合導電材料正在興起，其中石墨烯改性滌綸纖維便是紡織纖維領域的一大研究熱點。但由于石墨烯具有較高的化學惰性且片層之間有強烈的相互作用，使它難以均勻地從聚合物中剝離和分散，很大因素上影響了復合纖維的制備[11]。氧化石墨烯作為石墨烯的衍生物，分子結(jié)構(gòu)中包含了許多具有水溶性的羧基、羥基、環(huán)氧基等極性基團，因此它在親水性、對纖維的親和力和結(jié)合力等方面具有明顯的優(yōu)勢，有助于提高滌綸纖維的導電性。

2.3 導電聚合物改性滌綸纖維

導電聚合物是一種有機導電的化學高分子，它的導電電阻率一般處于導體和半導體之間，擁有單雙鍵和重復性組成單元，利于半導體和微粒間形成共軛鍵而具有較高的導電性。導電聚合物的主要特點是密度低且不容易被腐蝕，相比于其他金屬和傳統(tǒng)聚合物，既具備了容易生產(chǎn)加工、生產(chǎn)費用低廉等優(yōu)點，還具有良好的電學性能，因此被廣泛應用在紡織領域。在導電聚合物中，聚苯胺、聚毗咯和聚噻吩易于制備，且具有導電性、穩(wěn)定性和生物相容性好及表面改性容易、比表面積大等優(yōu)點[12]，故而適用于滌綸的改性研究。

2.3.1聚苯胺改性滌綸纖維

聚苯胺不僅易合成，且電導率易于調(diào)節(jié)、穩(wěn)定性也較好，在剛性或柔性表面上都具有良好的附著力，是導電率最高的低成本高分子化合物之一[13]。聚苯胺/滌綸導電織物可以通過與滌綸紗線復合制備而成，兼具滌綸和聚苯胺的優(yōu)良特性。彭勇剛等人[14]對原位聚合中的堿減量預處理工藝、各實驗參數(shù)對聚苯胺/PET導電織物的導電性影響進行了研究，實驗表明織物的電導率會隨著氫氧化鈉使用量的增減發(fā)生變化，且隨著堿處理時間的增加，織物的電導率會逐步提高，即先采用堿減量工藝對滌綸織物表面進行處理，再通過吸附-原位聚合法制作聚苯胺/PET導電織物，可以使織物的電導率顯著提高。

2.3.2聚吡咯改性滌綸纖維

聚吡咯具有比較穩(wěn)定的性能，有導電性高、附著力好、無毒、易成膜等優(yōu)點，是智能紡織品領域中最重要的導電材料之一。它與其他纖維復合時可以通過改變摻雜程度來調(diào)節(jié)導電性，有可以直接聚合、生物相容性好的特點。

王曉菲、萬愛蘭[15]以滌綸織物為基布，使用原位聚合法制備了聚吡咯/銀導電PET織物，并研究出了最佳的制備工藝，結(jié)果表明，當紫外線輻照時間8小時時，織物表面的電阻會降到最低，導電性能達到最佳。使用原位聚合法，再氧化還原合成聚吡咯薄膜，具有生產(chǎn)過程簡單、反應過程易控制、制作成本低、織物導電性能好等優(yōu)點，適于大規(guī)模生產(chǎn)。

姜珊等人[16]對滌綸進行表面改性時運用的是亞真空等離子體處理技術，再采用原位聚合的方式制備聚吡咯/PET復合導電材料。如圖1所示,利用亞真空等離子體處理工藝所制備的高速活性粒子，轟擊在PET表面的時侯會產(chǎn)生很多細小的凹坑，這有效增大了PET的表面積以及纖維表面的粗糙度，還保留了滌綸纖維原有的力學性能，最終制備而成的復合導電紗線的導電性有了顯著提高。等離子體處理法可以增大纖維表面的粗糙程度，從而使導電聚合物與織物復合時的界面黏結(jié)強度增強，使導電纖維織物表面導電薄膜的完整性與均勻性得到改善，極大地增強了織物的導電性能，具有無污染、成本低、耗能較低等優(yōu)點。

圖1 離子體處理前后滌綸紗和復合導電紗線的掃描電鏡照片(x5000)[16]

2.3.3聚噻吩改性滌綸纖維

聚噻吩具備尺寸小和較寬的導電范圍等特性，其導電能力可以從絕緣到接近金屬范圍內(nèi)調(diào)控。李世慧等人[17]以滌綸作為基布，采取原位聚合的方式制作了聚噻吩/PET導電聚合物。在制備過程中，氧化劑是無水氯化鐵、溶劑是氯仿，在滌綸織物溶脹的過程中使聚噻吩在織物表面發(fā)生聚合。使用這種方式制得的聚噻吩/滌綸導電復合織物具有良好的導電性能，且耐摩擦性能佳、制備流程較好操作，所需時間短且能源消耗少。

3 滌綸導電纖維在智能紡織品中的應用

隨著人們對服裝功能性及舒適度要求的日漸提高，智能紡織品迅速發(fā)展。智能紡織品是把傳統(tǒng)紡織品與電子信息技術相結(jié)合的一種新型紡織品，它發(fā)展的關鍵是使功能元件和導電電路的柔性化，其中開發(fā)和研究柔性傳感器是當前最重要的課題之一。

柔性傳感器是可以把非電學的物理、化學和生物量等轉(zhuǎn)換為電信號的、具有一定柔性的裝置。它和剛性傳感器相比較，具有體積較小、延展性優(yōu)良、柔軟性好等優(yōu)點，主要由導電紗線編織而成(如圖2所示)[18]，可以導電、彎曲、折疊，主要通過把電子元件嵌入織物，把導電紗線織入織物，采用具有涂層的間隔織物和導電高聚物薄膜實現(xiàn)[19]?；趯щ娎w維的柔性傳感器可以將導電纖維或?qū)щ娍椢锂a(chǎn)生的機械變形轉(zhuǎn)換為電子信號輸出，且其質(zhì)地柔軟、拉伸性能良好，可以直接貼合皮膚或直接織入服裝中，可用于人體健康監(jiān)測[20]。滌綸作為最常用的合成纖維，具有耐洗滌、制備工藝可控性好等特點，是制作柔性傳感器和導電電路的理想基材，通過前文介紹的滌綸改性方法，可使滌綸具備導電性，從而提高智能紡織品的功能性和用戶舒適度。

圖2 柔性傳感器[18]

4 結(jié)語

導電纖維在生產(chǎn)生活應用廣泛，制備復合型導電纖維中的涂覆型導電纖維對滌綸改性有很大的參考價值。目前智能紡織品發(fā)展迅速，由于導電纖維具有優(yōu)良的導電性和柔韌性，已成為制備柔性傳感器的重要材料之一，滌綸經(jīng)導電改性后不僅具備導電性，還有穿戴舒適、耐洗滌等優(yōu)點，是制作柔性傳感器的理想基材，可廣泛應用于智能紡織品制造，具有廣闊的市場前景。