导电纤维

材料科学技术术语

导电纤维是指在聚合物中混入导电介质所纺制成的化学纤维或金属纤维、碳纤维等。具有远高于抗静电纤维的优异的消除和防止静电的性能，且比电阻值持久不变并基本上不受湿度影响。按导电成分分布状态，分为均匀型、被覆型和复合型三类。一般采用混溶、蒸镀、电镀和复合纺丝等方法，在纤维中添加炭黑、石墨、金属粉或金属化合物等导电介质制得。其制晶可用予静电感应屏蔽，混有少量导电纤维的织物还可用作特种工作服、防尘刷等。

原理

导电纤维能将产生的静电很快泄漏和分散，有效地防止静电的局部蓄积。导电纤维还具有电晕放电能力，能起到向大气释放静电的效果。电晕放电是在大气压或高于大气压条件下，电极表面曲率半径很小，放电空间电场不均匀，电极表面附近电场比较强时，发生的放电现象。在电极附近有一个发光的电晕层，层内电场很强，产生强烈的电离和激发。这种电晕放电是一种极微弱的放电现象，不会发生危险。因此，导电纤维在不接地的情况下，也可用电晕放电的方法消除静电。若导电纤维制品接触大地，则在电晕放电的同时，静电也通过导电方式泄漏入大地，其带电量就更小了。

(1)接地导电纤维的消除静电机理。人体穿着含导电纤维织物接触大地时，其消除静电的机理是在电晕放电的同时，诱导电荷聚集在导电纤维周围，进而泄漏入大地。具体过程是当导电纤维与带电体接近时，在带电体与带电纤维间形成了电场，特别是在导电纤维的周边收敛了电力线，形成局部的离子活化区域。在导电纤维周围的空气，由于绝缘被击穿，电晕放电产生了正负离子，其中负离子向带电体移动而中和，正离子通过导电纤维向大地泄漏。

(2)不接地导电纤维消除静电机理。导电纤维在不接地情况下是通过电晕放电方法消除静电，消除静电步骤为：

①织物(带电体)中的电荷向导电纤维汇集，导电纤维中诱导了与织物电性相反的电荷；

②导电纤维附近被诱发产生强电场，使其周围空气受此电场的作用而电离，这就是所谓的电晕放电过程；

③电晕放电产生正负离子，与织物所带电荷性质相反的离子向织物移动，与织物所带电荷中和，从而消除静电。

分类

按导电成分划分导电纤维主要有4种：金属纤维、炭黑系纤维、导电型金属化合物纤维和导电高分子型纤维。

金属纤维导电性能好，耐热、耐化学腐蚀，但对于纺织品而言，金属纤维抱合力小，纺纱性能差，成品色泽受限制，多用于地毯和工作服面料，制成高细度纤维时价格昂贵。

碳黑系纤维是将碳黑与成纤物质混合后采用皮芯纺丝法制成的导电纤维，在保持纤维原有的力学性质以外，又获得了一定的导电性能，但是颜色单一，通常为黑色或灰黑色，在使用上受到了一定的限制。以粘胶、腈纶、沥青作为原丝，经碳化处理后的碳纤维，导电性能好，耐热，耐化学药品，但模量高，缺乏韧性，不耐弯折，无热收缩能力，适用范围有限。以普通纤维为基底，用涂层法在纤维表面涂上碳黑的纤维，碳黑易脱落，手感不好，且碳黑在纤维表面不易均匀分布。

导电型金属化合物纤维，以铜、银、镍和镉的硫化物、碘化物或氧化物为导电材料，以混合纺丝法、吸附法或化学反应法制成，牢度较好，其中铜、银化合物还具有一定的附加功能，如抗菌、除臭，但是银的成本偏高，而铜、镍和镉的硫化物和碘化物的导电纤维较碳黑系纤维差，电磁屏蔽性能一般，主要用于抗静电。

导电高分子型纤维中，由聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等高分子导电材料直接纺丝制成的有机导电纤维，纺丝困难，价格更高，也难在纺织品中广泛使用。

应用

用导电纤维制成的导电织物具有优异的导电、导热、屏蔽吸收电磁波等功能，被广泛应用于电子及电力行业的导电网、导电工作服；医疗行业的电热服、电热面、电热绷带；航空、航天、精密电子行业的电磁屏蔽罩等。导电纤维可用于抗静电纺织品、防电磁辐射纺织品、智能纺织品和军工纺织品等领域。

1．抗静电纺织品

导电纤维是以电子导电为机理的功能纤维，通过电子传导和电晕放电来消除静电。由于纤维内部含有自由电子，其抗静电特性无湿度依赖性；导电纤维的电荷半衰期短，在任何情况下，都能在极短的时间内消除静电，利用导电纤维来防止静电的产生和危害具有广泛的环境适应性。根据导电纤维电导率大小及织物的组织结构，在一般纤维中混入0.05%～5%的导电纤维即可达到抗静电效果。用导电纤维制成的具有抗静电效果的工作服，适用于油田、石油加工、煤矿、电子工业、感光材料工业以及其他易燃易爆的场合，也适合于作为无尘无菌服或特种过滤材料等。

2．防电磁辐射纺织品

电磁屏蔽是采用低电阻率的导电材料对电磁流具有的反射和引导作用，在导体材料内部产生与原磁场相反的电流和磁极化，从而减弱原电磁场的辐射效果。用作防电磁辐射的导电纤维要求其电阻率很低，通常只有10-6～10-2Ω/cm。近年来，由于电子电器设备和通信设备的广泛应用，电磁辐射的干扰使设备产生的误操作、图像声音障碍以及对人体的危害等，引起人们对开发电磁屏蔽材料的关注。低电阻率的导电纤维的开发和市场的紧俏，也正是由此引发。

利用导电纤维的电磁波屏蔽性，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、天花板及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。

3．传感器纺织品

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。

4．军工纺织品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，攻防转换频率快，战争态势瞬息万变，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满足了这一要求。

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的导通电路，通过控制温度使军服中的热变色油墨发生变化，从而使军服的颜色根据外界的环境色作出相应的变化，成为一种环境反应性伪装。

5．其他应用

通过选择功能性导电添加剂，还可以制备出除导电功能以外具有其他功能的纤维材料，如抗菌、远红外等。日本三菱公司运用复合纺丝技术，通过在芯部混人高浓度的白色导电陶瓷微粒，使纤维具有导电性能。同时，由于所加陶瓷微粒具有光热转变特性，将此纤维以10%的量与常规纤维混纺后，在光源照射下，可使织物温度上升到28℃。这种纤维不仅使穿着者感到温暖，而且水洗后，其日晒晾干时间为常规纤维的2/3，速干性是这种纤维的附加特性。由于这种纤维的导电性微粒在纤维的芯部，通常的加工、洗涤、染色等都不会影响纤维的导电持久性。

发展前景

使用导电纤维是纺织材料抗静电技术发展的基本方向。从国内外的应用经验来看，被覆型和复合型有机导电纤维最适合于制备永久性的抗静电纺织品。从纺织产品抗静电功能的需求特征来看，导电纤维应着重发展两大类品种：第一类，适应民用纺织品各种染色性能需要的金属化合物复合白色高电导有机导电纤维；第二类，适应特殊功能纺织品(如无尘无菌防爆工作服、电磁屏蔽织物等)需要的炭黑涂敷或炭黑复合高电导有机导电纤维。

导电纤维作为一类重要的智能材料，已引起了国内外材料界的广泛关注，其研究和开发正方兴未艾，并在服装、传感器及产业用纺织品等方面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。导电纤维作为制造智能纺织品的主要品种之一，必将在材料领域取得越来越重要的地位。

虽然导电纤维的制造成本高，但在织物中它的混用比例少，效果明显，在民用与产业用上都有极为广阔的发展前景。在当前我国差别化纤维的研究开发中，导电纤维理应占据重要的一席，应对其发展给予关注。

可以在以下一些方面予以研究：

(1)如何在提高导电纤维导电性能的前提下，加强对导电填料的改性研究，以降低导电填料的用量，增加分散性与取向性，减小比重。

(2)在加大导电填料用量提高导电功能的同时，增强纤维的力学性能和其他性能。

(3)降低导电纤维的制备与加工成本。

(4)改善导电纤维的成型工艺和产品外观。

(5)提高综合使用性能，确保该导电纤维的加工性满足绿色化学的要求，符合国家的科学发展战略，使其技术实用化，从而能够大规模应用。

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