齊 鈺，王花娥，許黛芳，周雅玲，胡啟美

(嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314000)

在紡織纖維材料中，通常把使用金屬、有機(jī)導(dǎo)電材料或其他導(dǎo)電材料制得的纖維稱為導(dǎo)電纖維。通常，導(dǎo)電纖維大致可以劃分為均質(zhì)型或是復(fù)合型兩種[1]。均質(zhì)型導(dǎo)電纖維一般指由一種主要的導(dǎo)電材料組成的纖維，而復(fù)合型導(dǎo)電纖維主要是由兩種不同的材料組成，即導(dǎo)電和不可導(dǎo)電的部分，根據(jù)二者的構(gòu)造關(guān)系，復(fù)合式的導(dǎo)電纖維還可以細(xì)化為涂層式和填充型兩種[2]。導(dǎo)電纖維在智能紡織品和柔性傳感器領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)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(dǎo)電纖維的制備

常見的均質(zhì)型導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電功能，常見的金屬導(dǎo)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(dǎo)電紗線，不僅成本低且易于操作，進(jìn)一步紡制的織物的導(dǎo)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(yīng)用受到一定限制。

絕大多數(shù)天然和合成纖維都不具備導(dǎo)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(dǎo)電成分對其進(jìn)行改性，進(jìn)而實現(xiàn)抗靜電及導(dǎo)電的目的。復(fù)合型導(dǎo)電纖維的成分可分為兩種，即導(dǎo)電成分和不導(dǎo)電成分，通常以聚酯、聚酰胺和纖維素等不導(dǎo)電成分作為主體，以導(dǎo)電高分子、金屬、碳元素等導(dǎo)電粒子為功能材料[3]構(gòu)成，依據(jù)其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，復(fù)合型導(dǎo)電纖維又細(xì)分為填充型導(dǎo)電纖維和涂覆型導(dǎo)電纖維。

填充型導(dǎo)電纖維一般是指將纖維主體聚合物和其他導(dǎo)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(fù)合紡絲法，直接把導(dǎo)電粒子和纖維主體聚合物進(jìn)行紡絲來制備復(fù)合型導(dǎo)電纖維，但此種方法導(dǎo)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(dǎo)電纖維的制備是指在纖維表面覆蓋導(dǎo)電涂層，以便在表面形成電子傳遞路徑，從而使纖維具備導(dǎo)電性。它屬于纖維后處理工藝，碳納米粒子、金屬類和導(dǎo)電高分子類等材料都是常用的導(dǎo)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(dǎo)電性；采用化學(xué)鍍、磁控濺射、真空鍍、電鍍等方法，把可以導(dǎo)電的金屬材料涂覆在普通纖維表面得到導(dǎo)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(jìn)行改性，使導(dǎo)電高分子類附著于纖維表面賦予其導(dǎo)電性[7]。

2 滌綸導(dǎo)電纖維的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

滌綸纖維(PET)是一種由有機(jī)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(jī)械強(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)電性等性能，拓寬滌綸的應(yīng)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(xué)鍍、真空鍍、電鍍、磁控濺射等?；瘜W(xué)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(shù)，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(jìn)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(dǎo)電金屬材料，導(dǎo)電涂層，具備導(dǎo)電性。

王秋萍等人[9]研究了高溫?zé)o鈀活性鎳源和化學(xué)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(xué)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(dǎo)電性能最佳。化學(xué)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(qiáng)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(lǐng)域進(jìn)行了廣泛應(yīng)用[10]。但由于化學(xué)鍍廢水中加入的絡(luò)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(dǎo)熱、力學(xué)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(dǎo)電材料。目前許多以石墨烯為原料制備的復(fù)合導(dǎo)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(lǐng)域的一大研究熱點。但由于石墨烯具有較高的化學(xué)惰性且片層之間有強(qiáng)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(fù)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(tuán)，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(dǎo)電性。

2.3 導(dǎo)電聚合物改性滌綸纖維

導(dǎo)電聚合物是一種有機(jī)導(dǎo)電的化學(xué)高分子，它的導(dǎo)電電阻率一般處于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間，擁有單雙鍵和重復(fù)性組成單元，利于半導(dǎo)體和微粒間形成共軛鍵而具有較高的導(dǎo)電性。導(dǎo)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(xué)性能，因此被廣泛應(yīng)用在紡織領(lǐng)域。在導(dǎo)電聚合物中，聚苯胺、聚毗咯和聚噻吩易于制備，且具有導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電率最高的低成本高分子化合物之一[13]。聚苯胺/滌綸導(dǎo)電織物可以通過與滌綸紗線復(fù)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(yù)處理工藝、各實驗參數(shù)對聚苯胺/PET導(dǎo)電織物的導(dǎo)電性影響進(jìn)行了研究，實驗表明織物的電導(dǎo)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(dǎo)率會逐步提高，即先采用堿減量工藝對滌綸織物表面進(jìn)行處理，再通過吸附-原位聚合法制作聚苯胺/PET導(dǎo)電織物，可以使織物的電導(dǎo)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(dǎo)電性高、附著力好、無毒、易成膜等優(yōu)點，是智能紡織品領(lǐng)域中最重要的導(dǎo)電材料之一。它與其他纖維復(fù)合時可以通過改變摻雜程度來調(diào)節(jié)導(dǎo)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(dǎo)電PET織物，并研究出了最佳的制備工藝，結(jié)果表明，當(dāng)紫外線輻照時間8小時時，織物表面的電阻會降到最低，導(dǎo)電性能達(dá)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(yīng)過程易控制、制作成本低、織物導(dǎo)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(jìn)行表面改性時運用的是亞真空等離子體處理技術(shù)，再采用原位聚合的方式制備聚吡咯/PET復(fù)合導(dǎo)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(xì)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(xué)性能，最終制備而成的復(fù)合導(dǎo)電紗線的導(dǎo)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(dǎo)電聚合物與織物復(fù)合時的界面黏結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)，使導(dǎo)電纖維織物表面導(dǎo)電薄膜的完整性與均勻性得到改善，極大地增強(qiáng)了織物的導(dǎo)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(fù)合導(dǎo)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(dǎo)電范圍等特性，其導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電復(fù)合織物具有良好的導(dǎo)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(dǎo)電纖維在智能紡織品中的應(yīng)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(shù)相結(jié)合的一種新型紡織品，它發(fā)展的關(guān)鍵是使功能元件和導(dǎo)電電路的柔性化，其中開發(fā)和研究柔性傳感器是當(dāng)前最重要的課題之一。

柔性傳感器是可以把非電學(xué)的物理、化學(xué)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(dǎo)電紗線編織而成(如圖2所示)[18]，可以導(dǎo)電、彎曲、折疊，主要通過把電子元件嵌入織物，把導(dǎo)電紗線織入織物，采用具有涂層的間隔織物和導(dǎo)電高聚物薄膜實現(xiàn)[19]。基于導(dǎo)電纖維的柔性傳感器可以將導(dǎo)電纖維或?qū)щ娍椢锂a(chǎn)生的機(jī)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電纖維在生產(chǎn)生活應(yīng)用廣泛，制備復(fù)合型導(dǎo)電纖維中的涂覆型導(dǎo)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(dǎo)電纖維具有優(yōu)良的導(dǎo)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(dǎo)電改性后不僅具備導(dǎo)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(yīng)用于智能紡織品制造，具有廣闊的市場前景。