智能导电纤维的研究与开发进展
0 前言
目前,对高度刺激能产生智能响应的纤维及其制品的研究和开发已引起人们极大的关注。智能纤维就是能够感知所处环境的变化(如机械、热、化学、光、温度、电磁等),并随之做出敏锐响应(发生突越性变化)的纤维。合成纤维是高分子材料，一般都具有优越的电绝缘性能。但电绝缘性能越高，电阻就越大，越容易产生很高的静电。而静电高了一有机会就会放电，静电放电在特定场合又会引起爆炸和火灾，还会引起电击灾难。因此，纤维制品在某些应用方面就有必要采用抗静电纤维来消除静电电荷。但随着使用领域的推广和扩大，各种应用环境又对纤维的抗静电性能提出了更高的要求，于是又出现了导电纤维。导电纤维不仅可以用来消除静电、吸收电磁波,而且由于电信号的探测和传输是探测技术中很重要的一个方面,因此,导电纤维在服装、医用、能源等领域都取得了非常成功和广泛的应用。
1 导电纤维的研究和发展现状
自20世纪70年代开始,人们就在不断地研发导电纤维,随着研究的不断深入,不同类型的导电纤维被逐步开发,在各领域里起着重要的作用。
1.1 金属纤维
最早问世的导电纤维是美国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[2]。后来有人将金属粉末混入成纤聚合物切片中再进一步纺成导电纤维,也有人采用将金属粉末沉积在多孔纤维表面的孔穴中的方法制取导电纤维[3]。但这两种方法都有明显的不足之处,如将金属粉末混入成纤聚合物切片中,纺丝时常会发生喷丝孔堵塞的现象;若采用在多孔纤维表面孔穴中沉积金属粉末的方法,则需事先纺制特种纤维,这些给工业生
产带来了困难且对纤维的性能有所损伤。
1.2 炭黑纤维及金属化合物导电纤维
经过进一步研究人们又提出将含导电成分的高聚物与成纤聚合物一起复合纺丝来制备复合型导电纤维,所用的导电成分为炭黑或金属化合物微粒。1974年,美国Dupont公司开发了以含炭黑的聚乙烯为芯,尼龙66为鞘的导电复合纤维———尼龙BCF[4]。1989年,押田正博等又采用含CuI2微粒的聚乙烯为芯,聚酯为鞘,制得导电涤纶[5]。炭黑导电纤维及金属化合物导电纤维的导电性耐久性较好,且导电性与湿度几乎无关。
1.3 导电聚合物纤维
1977年,美国宾夕法尼亚大学的Mac Diarmid教授等人发现了导电聚乙炔,引起了人们极大的关注,从而开创了结构型导电聚合物发展的新局面。近二十年来,研究导电纤维的重点转移到了导电高分子材料,主要是结构型导电聚合物。所谓结构型导电聚合物即指不需要加入其他导电性物质而依靠本身结构即具导电性的聚合物。以导电高分子材料为导电剂有其独特的优点:导电聚合物与普通线性聚合物一样,纺丝拉伸过程中会产生取向,这种导电的各向异性,提高了纤维轴向的导电性能[6]。直接利用结构型导电聚合物制备导电纤维是制备导电纤维的一种新方法,纤维完全由导电高聚物组成,无需加入其他材料即可导电但是这种完全由导电聚合物制造出来的导电纤维难以适合很多纺织材料应用的要求,其使用价值很有限。且由于导电高分子材料本身刚度
大、难溶、难熔、成型困难,因此制备导电聚合物纤维较困难[7]。
1.4 导电聚合物涂层纤维
人们利用掺杂导电聚合物电阻率大为降低的特点,将导电聚合物作为导电层覆盖在高聚物纤维的表面,从而使其具有导电性。例如,White等人[8]采用电化学的方法在某种高聚物纤维的表面形成导电有机聚合物———聚苯胺的涂层,从而改善纤维的导电性。这种方法简便易行,但遗憾的是:这种表面涂层只是覆盖在基质纤维表面,并不能均匀分布在整根纤维的截面上。1989年,美国R.V.Gregory[9]以锦纶或涤纶为基质,采用“现场”吸附聚合法,使苯胺在基质纤维表面发生氧化聚合反应,聚苯胺均匀地沉积在基质纤维表面,并能有效渗入纤维内部,使纤维导电性能持久良好。“现场”聚合法制备导电纤维既可赋予纤维耐久的导电性,又可较好地保持基体纤维的物理机械性能,是目前制备导电纤维常用的一种方法。
1.5 导电玻璃纤维
导电玻璃纤维是玻璃镀金属技术和玻璃纤维表面处理技术相结合而开发出来的产品。它在纤维表面镀上镍合金,其上面包敷导电性能良好的金属,在最外层有耐腐蚀性能好的金属材料保护膜。它主要有导电性能好、比重小等特点,在集成电路和电磁设备上有广泛的应用。日本将导电玻璃纤维用于隐身材料的研究已经取得成功[9]。研究人员研究出一种高频高效吸波涂料,它具有由电阻抗变换层和低阻抗谐振
层组成的两层结构,其中谐振层是由铁氧体、导电短纤维与树脂组成的复合材料。该纤维可吸收1GHz~20 GHz的雷达波,吸收带宽达50%,吸收率达20 dB以上。美国B-2隐身轰炸机机身表面也采用了含有导电玻璃纤维的混杂复合材料。
2 导电纤维的性能
导电纤维是以电子导电为机理的功能纤维。其导电是利用导电体的静电诱导、电晕放电、泄漏等作用的综合效果而产生的。由于纤维内部含有自由电子因此无湿度依赖性，即使在低湿度条件下也不会改变导电性能。在纤维中混入0.55%—5%的导电纤维就可解决织物的带静电问题。此外导电纤维的电荷半衰期很短在任何情况下都能在极短的时间内消除静电。表1列出不同方法制得的导电纤维的性能。
3 导电纤维的发展现状及应用前景
导电纤维——金属纤维、碳纤维、导电成分覆盖型纤维、导电成分复合（或混合型）纤维，由于导电性能优越且耐洗涤、耐摩擦等性能，所以广泛应用于纺织品、通用工程、耐热工程塑料、汽车制造、运动器材、航空及宇航等方面。
3.1导电纤维用于抗静电产品
随着高科技的发展，静电障害所造成的后果已不仅仅限于安全问题。静电放电造成的频谱干扰危害是在电子通信、航空航天以及一切应用现代电子设备仪器的场合导致设备运转故障信号丢失误码的直接原因之一。在石油化工精密机械煤矿食品医药等行业均对静电的防护有特殊的要求。
3.2导电纤维用于电磁波屏蔽和吸附材料
日本用表面敷铜的导电纤维桑达纶SS-N混纺或做成非织造布现已大量用于抗静电及电磁波屏蔽和吸收材料如作轮船的电磁波吸收罩等可防止雷达信号产生叠影利用导电纤维对电磁波的屏蔽性可用作精密电子元件电子仪器高频焊接机等电磁波屏蔽罩作为特殊要求房屋的墙壁天花板等的吸收无线电波的贴墙布或航空航天部门的电磁波屏蔽材料用化学镀或电镀法制得的导电布有较强的屏蔽微波作用若再复合一层电磁波吸收层即可用于从事雷达通讯电视转播医疗等工作人员的有效防微波工作服此外若将3%~8%的碳纤维金属铜纤维或混有镍纤维的玻璃纤维均匀分散在聚苯乙烯或其他热固性塑料中可制成有很好屏蔽电磁波性的薄膜并可改善薄膜的电性能和机械性能。
3.3 导电纤维用于织物传感器
现今,许多导电纤维都已用于制造织物传感器,如金属(不锈钢)纤维、碳纤维、导电聚合物纤维、导电聚合物涂层纤维。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、烟囱、索道等结构安全的诊断。美国麻省理工学院的研究人员用不锈钢纤维在织物上刺绣出不同的电路,可以织成织物软键盘。通过将导电纤维和绝缘纤维纱线的交替编织,制成可测压力的织物。这种织物由三层组成,上下两层是电阻率为10Ω/cm的金银线与普通纱线的交织织物,中间是起隔离上下两层织物作用的较为稀疏的尼龙网。当在织物上施加压力时,上下两层织物通过尼龙网的空隙实现接触,引起电信号的变化。20世纪70年代末以来,导电聚合物的快速发展为传感器技术进步奠定了基础,目前导电聚合物单独或与光纤传感器结合用于温度、压力、电磁辐射、化学物质种类和浓度的检测。近年来由英国Durham大学研制出的导电聚苯胺纤维具有半导体的特性,电导率高达1 900 S/cm,可以作为传感器使用。由美国Milliken研究公司发明的聚吡咯涂层纤维技术,通过气相沉积或溶液聚合的方法,将导电的聚吡咯涂层在纤维表面制成织物传感器。意大利Pisa大学的De Rossi将聚吡咯涂层在莱卡纤维表面制成智能手套,手指在弯曲或伸展时,莱卡纤维产生应变,从而聚吡咯的导电性能产生变化记录和分析电信号的变化,可探测出手指运动情况。欧盟Electro Textiles公司于1999年利用导电纤维技术开发了压力敏感织物,这种织物可以准确地探测出受压力的部位。
3.4 导电纤维用于服装领域
Philip公司已经开发出了音乐夹克、音乐键盘和运动夹克等系列产品,并通过将移动电话与服装相连接,实现服装的电子化和数字化。其中运动夹克利用织物受拉伸后导电纤维导电性能的变化来探测手臂的运动情况,研究人员估计这种服装在姿态矫正方面也会有市场。近年来开发的类似产品还有芬兰的智能服装(Smart Clothing),原型具有通讯、导航、使用者监测环境以及电加热四项功能,第一代夏季产品已
在2001年夏天推出;比利时Starlab的智能服装(I-WEAR)由多层构成,其中之一是传感器;德国FAC服装设计公司推出的智能服装中集成了手机、录音机、MP3和GPS系统的功能。
3.5 导电纤维用于医用领域
由美国Biokey公司开发的智能绷带将多种传感器植入织物中,可以探测细菌数量、湿度和氧气浓度等,并记录在电脑中,为治疗方案的改进提供依据。由塑料光纤和导电纤维编织而成的“智能T恤”可以协助医务人员监测病人心跳、体温、血压、呼吸等生理指标,也可由监测人员了解和掌握运动员、宇航员、飞行员等的身体情况;还可制成
婴儿睡衣监测婴儿呼吸,防止婴儿在睡眠时因窒息而死亡。
3.6 导电纤维用于其他领域
智能导电纤维还可以用于国防工业、半导体/电子工业、能源工业汽车工业、运动器械等方面。利用导电纤维制成的导电纺织品,其中的导电纤维可以将电信号从输入装置传送到适当的输出装置。例如用于消防服,当消防人员在集中精力对付面前的火焰,却面临着身后增大的火焰的威胁时,一个埋在服装背后的传感器通过导电纤维与埋在服装前面的可以听见的警报器相连接,消防人员可及时得到信息而避免灾难[9]。但目前研究和开发的智能导电纺织品还基本上处于“消极态”材料的阶段,即仅仅能感知外界环境的变化而不能调节自己以适应环境的变化,真正意义上的智能导电纺织品的问世还需科技工作者做出巨大的努力。一旦研制出这类智能材料,其应用必将更为广泛。
4 结束语
综上所述,导电纤维作为一类重要的智能材料已引起国内外材料界的广泛关注,其研究和开发正方兴未艾,并在各个领域具有良好的应用前景。可以相信,随着科学技术的进步,智能材料将不断发展。人类终究能把生命形式的各种高级功能赋予材料,从而开发出具有多种功能的智能产品。导电纤维作为制造智能产品的主要品种之一,必将在材料领域取得越来越重要的地位。
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