（纺织工程专业论文）含有机导电纤维织物的研制与性能分析.pdfVIP

摘要 v 6 2 7 4 8 2 随着工业生产的高速发展 纺织工业大量采用合成纤维作为原料 但是合成 纤维的憎水性和绝缘性 使其在纺织加工和服装穿着过程中产生带电现象 给生 产或生活带来一些麻烦和困难 严重时影u 向生产的正常进行 甚至造成意外事故 特别是电子 医药 精密仪器等工业的飞速发展 为了使仪器精确动作和保证操 作的安全 都要求纤维和织物有较高的抗静电或导电水平 目前使用较多的抗静电方法主要有织物表面整理 纤维化学改性 嵌织导电 纤维 这三种方法各有缺点 主要有抗静电持久性差 应用范围小 导电长丝断 裂后抗静电效果降低等问题 还有一种方法就是采用有机导电短纤维与合成纤维 混纺 其导电原理与嵌织方法一样 都是采用导电纤维的电晕放电原理 此法解 决了上述三种方法的缺点 成为抗静电织物发展的重要品种 本课题主要探讨和分析了两种比例的有机导电纤维混纺纱线的工艺和性能 制定了混纺纱的工艺流程 从理论和实际上合理选择了各道工序的工艺参数 纺 出质量合格的纱线 并对混纺工艺进行了具体的分析和说明 通过对纱线性能的 测试 分析了纱线的可织造性和影响因素 通过设计合理的工艺参数 使导电短 纤维在纱线内均匀分布 以较低的混纺比例达到最好的抗静电效果 结果表明 在有机导电纤维的混纺过程中 无纤维缠绕机件等静电问题 纺纱加工过程顺利 与对应的常规混纺纱的纺纱过程相比 导电短纤维消除加工过程中的静电作用明 显 从导电纤维的混用比例 织物的组织结构 经纬纱密度 纬纱所用的纱线种 类等四个方面来设计抗静电织物 对有机导电短纤维织物的织造工艺进行了简要 的说明 并试织出了1 5 块不同导电纤维比例 不同组织 不同经纬密度 不同纬 纱的织物 经测试 织物服用性能好 不易变形 比较挺括 而且免烫性能好 适宜作外衣类产品 通过对织物的抗静电性能测试 探讨了不同组织和不同比例 纱线和织物对抗静电性能的影响 阐述了纤维混用的百分比和抗静电性能效果的 关系 分析了影响织物抗静电性的主要因素 最后优化了最低的成本 取得了最 佳的抗静电性能 为其产业化生产提供了相关工艺和数据 关键词 导电纤维导电纱线抗静电织物静电性能性能测试与分析 本经怍等 导师阊意 勿全义公箍 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l p r o d u c t i o n s y n t h e t i cf i b e r s l a v eb e e n u n i v e r s a l l yu s e da sr a wm a t e r i a l si nt e x t i l ei n d u s t r y t h ep r o d u c t sm a d es y n t h e t i cf i b e r s b e c o m e p e o p l e sf a v o rf o rt h e i rw a s h i n g f a s t n e s sa n dd u r a b i l i t y e l e g a n c ya n dg o o dt a s t e a sw e l la s b e i n ge x e m p tf r o mi r o n i n g a n dq u i c k d r y i n g b u ti t s w a t e rr e p e l l e n c y p r o p e r t i e si n s u l a t i o nm a yb r i n ga b o u tc h a r g e dp h e n o m e n o nb o t hi nt e x t i l ep r o c e s s i n g a n dd r e s s i n g a l s os o l r l et r o u b l e so rd i f f i c u l t i e sm a ya r o u s ei nm a n u f a c t u r eo re v e r y d a y s l i f e w h i c hs o m e t i m e sg os of a ra st od i s t u r bt h en o r m a li n d u s t r i a lp r o c e d u r eo rt oc a u s e s o m ea c c i d e n t s e s p e c i a l l yt h es p e e d yd e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i c s m e d i c i n e p r e c i s i o n i n s t r u m e n t s w i t ht h ep u r p o s eo fc o n c r e t ea c t i o n sa n ds a f e t yi no p e r a t i n g p u tf o r w a r d h i g h e rd e m a n d f o rt h ea n t i s t a t i cc o n d u c t i v ea b i l i t yo f t h ef i b e r sa n dt e x t i l e p r o d u c t s a t p r e s e n t t h em a i na n t i s t a t i cm e t h o d sa r ef a b r i c f i n i s h f a b r i c c h e m i c a l m o d i f i c a t i o n s e m b e d b u tt h e yh a v eo n l yg o ts o m ed e f e c t s r e s p e c t i v ej u s t l i k e p e r m a n e n c eo fa n t i s t a t i cq u a l i t y l i m i to fi t sa p p l i c a t i o na r e a r e d u c t i o no fa n t i s t a t i c e f f e c ta f t e rr u p t u r eo fc o n d u c t i v ef i l a m e n t a n o t h e rw a yi st ob l e n do r g a n i cc o n d u c t i v e s t a p l ef i b e ra n ds y n t h e t i cf i b e r i t sp r i n c i p l e t h a ti s t od i s c h a r g eb ya d o p t i n g t h eh a l oo f c o n d u c t i v ef i b e r w i t ht h a to fe m b e d t h i sw a ys o l v ea b o v ed e f e c t s i tb e c o m e sa n i m p o r t a n tv a r i e t y t h a ta n t i s t a t i cf a b r i ci sd e v e l o p e d t h e p u r p o s eo f t h i st e x ti sm a i n l yt oi n q u i r ei n t oa sw e l la sa n a l y z et h et e c h n o l o g y a n d p r o p e r t yo f b l e n d i n gb y t w oo r g a n i cc o n d u c t i v ef i b e r sw i t hd i f f e r e n tp r o p o r t i o n s t o f o r m u l a t et h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s sf o rm a k i n gar e a s o n a b l ed e c i s i o no f c h o o s i n gt h e t e c h n o l o g i cp a r a m e t e rf o r e a c h w o r k i n gp r o c e d u r e b o t h f r o mt h et h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a la n g l e s o a st o s p i nt h ey a r nw i t hp e r f e c tq u a l i t y a sw e l lam a k ed e t a i l e d a n a l y s i sa n dd e s c 邱t i o no nb l e n d i n gt e c h n o l o g y t h r o u g hc l o s ea n a l y s i so f t h ew e a v i n g a b i l i t ya n d t h o s ef a c t o r st h a tm a yt a k ee f f e c t so ni ti sr e a l i z e db y t e s t i n gt h ep r o p e r t yo f y a m s s t a p l ec o n d u c t i v ef i b e rc a nr e a c ht h ee f f e c to fb e i n gw e l l d i s t r i b u t e di ny a m sb y e m p l o y i n gt h o s er e a s o n a b l y d e s i g n e dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s t h er e s u l ts h o w st h a t d u r i n gt h ep r o c e d u r eo fb l e n d i n go r g a n i cc o n d u c t i v ef i b e r st h ep r o c e s sg o e so nw i t h o u t a n yp r o b l e m s r e l a t e dt os t a t i cp h e n o m e n o n j u s tl i k ef i b e rw i n d i n gp a r t sc o m p a r e d w i t h t h et r a d i t i o n a l b l e n d i n gp r o c e s s t h ee m p l o y m e n to fc o n d u c t i v es t a p l e f i b e r st a k e sa p o s i t i v ee f f e c ti ne v i d e n c et h es i d ea f f e c tc a u s e db ys t a t i cp h e n o m e n o n a n t i s t a t i cf i b e r s m y b ed e v i s e db yt a k i n gf o u rf a c t o r si n t oc o n s i d e r a t i o nw h i c ha r er e s p e c t i v e l yc a l l e d t h eb l e n d i n gp r o p o r t i o no fc o n d u c t i v ef i b e r t h e o r g a n i z a t i o n a l s t r u c t u r eo ff a b r i c s d e n s i t yo fw a r pa n dw e f ta sw e l la st y p e so fy a r ni nw e f t t h i sp a p e ra l s og i v e sab r i e f d e s c r i p t i o na b o u tt h et e x t i l ed r a f t so f f a b r i ci n c l u d i n gc o n d u c t i v es t a p l ef i b e ra n da sa n e x p e r i m e n t 15p i e c e so ff a b r i c sw e r ew o v e nw i t hd i f f e r e n tp r o p o r t i o no fc o n d u c t i v e f i b e r d i f f e r e n ts t r u c t u r e w a r pa n dw e f td e n s i t y t h e s ef a b r i c sp o s s e s se x c e l l e n ta n d f a v o u r a b l e p r o p e r t y f o r c l o t h i n g o u t e rw e a rf o r t h o s eu n i q u e a d v a n t a g e sj u s t l i k e d e f o r m e du n d e rl o w e rl o a da n df i r m n e s sp r o p e r t yo fb e i n g e x e m p t f r o m i r o n i n g t h r o u g hs t u d y i n ga n t i s t a t i cp r o p e r t yo ff a b r i c s l v es e a r c hi n t ov a r i o u se f f e c t so n a n t i s t a t i c p r o p e r t y t h a ta r et a k e n b y f i b e ra n df a b r i co fd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n d p r o p o r t i o n s e x p l a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ef i b e rb l e n d i n gr a t i ow i t ht h ee f f e c t so f a n t i s t a t i c p r o p e r t ym a k ea na n a l y s i so ft h e s em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ea n t i s t a t i c o f f a b r i c s a tt h ee n di v ec o m et ot h ec o n c l u s i o no ft h em e t h o do fa c h i e v i n gp e r f e c t a n t i s t a t i cp r o p e r t y b ye m p l o y i n gl o w e s tc o s ta n da p p l y r e l a t i v et e c h n o l o g ya n dd a t af o r j t si n d u s t r i a l j z a t i o n k e y w o r d s c o n d u c t i v ef i b e rc o n d u c t i v e y a r n a n t i s t a t i cf a b r i c t e s t i n ga n da n a l y z i n go fp e r f o r m a n c e 含有机导电纤维织物的研制与性能分析 第一章绪论 1 1 抗静电产品的发展综述 人类对导电纤维的观察有悠久的历史 1 8 世纪时 诸多科学家从研究静电现象开 始 陆续发现了电磁感应 化学电池和电流的力学 热学应用m 随着人们逐渐广泛 地应用电能 静电的作用和危害越来越突出 但并未得到重视 直到2 0 世纪中期 随 着工业生产的高速发展 纺织工业大量采用合成纤维作为原料 合成纤维及其混纺产品 日益增多 并且合成纤维纺织品坚牢耐穿 美观大方 免烫快干 深受人们喜爱 但是 由于合成纤维的憎水性和绝缘性 使其在纺纱加工过程中容易产生缠罗拉 绕皮辊 纱 线发毛等现象 在织造时易造成经纱开口不清等各种问题 给生产带来一些麻烦和困难 严重时甚至影响生产的正常进行或造成意外事故 在服装穿着过程中产生粘附 缠绕肢 体等现象 使人产生不适感 严重时还发生电击现象 我国北方的气候比较干燥 化纤及其混纺服装 地毯以及装饰用 工业用产品常常 显示极强的静电 即使在我国南方夏季 大气湿度高 但伴随着城市现代化 建筑物密 闭性增高 有空气调节 室内相对湿度也变得很低 这样 地毯以及店铺 公共设施 医疗机构等处所用的化学纤维材料就极易产生静电 随着工业和科学技术的现代化 特 别是电子 医药 精密仪器等工业的飞速发展 静电危害日益突出 为了使仪器动作精 确和保证操作的安全 对纤维材料和织物的抗静电水平的要求越来越高 也引起了各国 科研机构和科技人员的重视 世界各国竞相开发了各种有特色的 加工技术不同的 效果不同的抗静电织物 归 纳起来有三种类型1 4 6 1 1 织物表面整理 对合成纤维织物进行抗静电树脂按理 所用抗静电剂大多数是结构与被整理的纤维 相似的 有亲水性的高分子物 经过浸 轧 焙烘而粘附在合成纤维或其织物上 4 第1 页共5 5 页 含有机导电纤维织物的研制与性能分析 利用涂覆在合成纤维织物表面上的这些亲水性高分子物 通过吸湿而增加纤维的导电 加快织物表面的静电荷的散逸 使静电荷不至于积聚过多而造成危害 此种方法能解决穿着使用过程中的吸尘 粘污以及粘缠现象 但在洗涤以及摩擦的 情况下缺乏持久性 对工业制品的抗静电要求往往不能满足 2 纤维化学改性 化学改性的方法是在聚合物内部添加抗静电剂 如磷酸酯 磺酸盐等表面活性剂 或是引入第三单体 如聚氧乙烯及其衍生物 4 6 1 利用抗静电剂的极性基团在聚合物外 层形成导电层或与空气中的水相结合 使聚合物的电阻减少 加速静电荷的散逸 以使 纤维本身具有抗静电性 此法不仅能改善抗静电性 还能改善吸湿性 防污性等 具有多能化特征1 4 但 其抗静电效果与环境湿度密切相关 在低湿度下几乎失去抗静电性 所以它的应用范围 受到限制 3 嵌织导电纤维 在合成纤维织物中嵌入导电纤维 利用导电纤维之间的电晕放电使静电消除 由于 导电纤维在低湿度下仍然有较好的抗静电性 并且具有相对的持久性 采用较低的混用 比例就能使织物具有良好的抗静电效果 所以此种方法在产业用纺织品中得到了广泛的 应用 但此种方法的缺点是导电长丝断裂后 织物的抗静电效果会降低 以上三种方法是目前使用较多的抗静电方法 还有一种方法就是采用有机导电短纤 维与合成纤维混纺 此种方法解决了前三种方法存在的问题 已成为重要的抗静电方法 之一 有机导电短纤维与合成纤维混纺成纱线 最后织成织物 其导电原理与嵌织方法 一样 采用导电纤维的电晕放电原理 此法可消除纺纱 织造过程中的静电问题 并且 解决了织物受磨损后的抗静电性减效的问题 在纺织加工中 只要混入少量的导电纤维 制成的织物和纤维制品就可以防止静电 的干扰和危害 导电纤维己成为重要的差别化纤维品种 导电纤维中的导电成分有金属 金属化合物 碳黑等 使用最多的是碳黑 这里的 第2 页共5 5 页 含有机导电纤维织物的研制与性能分析 导电性能主要是基于自由电子的移动 而不依靠吸湿和离子的转移 所以导电纤维不依 赖于环境的相对湿度 它在3 0 r h 或更低的相对湿度下 仍能显示出优良的导电或抗 静电性能 导电纤维比电阻小于1 0 8 q c m 优良者在1 0 2 一1 0 5 q c m 甚至更低的比电阻范围内 导电纤维由于具有优秀的消除和防止静电的性能 所以混用很少的导电纤维就有明显 的抗静电效果 但是它的成形加工比较复杂 并且纤维的力学性能和色泽外观常常不 甚理想 制造成本一般也较高 金属导电纤维 碳素导电纤维以及碳黑涂覆型 碳 黑复合型和金属化合物复合型有机导电纤维的力学等物理性能 耐化学性能均可满足 纺织品的加工要求 在解决纺织品的抗静电永久性问题方面有显著效果 本文在介绍 有机导电纤维的发展 概况 分类的同时 探讨并实际进行了有机导电短纤维和棉型 涤纶纤维混纺纱的生产 织物的研制 对产品进行纺织性能的测试 并分析所得出的 数据 1 2 抗静电产品的主要应用领域 抗静电织物在具有普通服用织物的外观等要求的同时 其抗静电性能也必须满足要 求 9 j 由于抗静电织物主要应用于有抗静电要求的特殊场合 如航天航空 国防 石油 采矿 化工 电子 纺织 轻工 食品 建筑 出版 医疗卫生 农业以及涉及人们日 常生活诸多方面都能得到广泛的应用 大多作为外衣用产品 主要有 1 仿真丝和仿毛抗静电纤维 通过抗静电纤维的应用使化纤具有真丝的品质 毛的风格 并且具有真羊毛所不具 备的一些特殊性能 如耐洗 防污染等 2 无尘无菌工作服 无尘无菌工作服不允许因积聚静电而吸引灰尘和细菌 所以织物必须具有抗静电性 能 主要方法有采用抗静电涤纶长丝 在基本材料中混入少量导电纤维 其中 导电纤 维混入法在较低的相对湿度下也能获得较好的效果 且不受摩擦对象织物种类的影响 第3 页共5 5 页 含有机导电纤维织物的研制与性能分析 3 抗静电地毯 主要采用导电纤维制作抗静电地毯 4 防火防爆型工作服 5 防污 防缠的民用纺织品及室内装饰品 6 在其他工业生产部门的应用 如传送带 滤材等 1 3 研究本课题的目的和意义 1 研究和探讨了有机导电短纤维的混纺工艺 设计合理的工艺参数 生产出符合 一定质量标准的细纱 股线 并对混纺工艺进行了具体的分析和说明 2 对有机导电短纤维织物的织造工艺进行了简要的说明 并试织出了1 5 块不同导 电纤维比例 不同组织 不同经纬纱密度 不同纬纱的织物 3 通过对纱线性能的测试 分析了纱线的可织造性和影响因素 4 通过对织物的抗静电性能测试 探讨了不同组织和不同比例的纱线和织物对抗 静电性能的影响 为其产业化提供相关工艺和数据 本文主要介绍了两种比例的纱线混纺方法 混纺工艺和两种不同组织 两种不同经 纱密度织物的设计 生产以及织物抗静电性能的比较 通过设计合理的工艺参数 使导 电短纤维在纱线内均匀分布 以较低的混纺比例达到最好的抗静电效果 用小样织机织 造出不同混纺比例和织物组织结构的织物 通过抗静电性能测试 分析了影响织物抗静 电性的主要因素 最后得出如何用最低的成本 取得最佳的抗静电性能 第4 页共5 j 页 含有机导电纤维织物的研制与性能分析 第二章导电纤维及其应用 2 1 导电纤维的发展历程 纺织品在生产加工和使用过程中易因摩擦和感应产生静电 而常规纤维材料的电 阻率均在1 0 q c m 以上 所生产的电荷不易逸散 造成加工困难及产品质量无法保证 纤维素纤维加工中静电现象不明显 但蛋白质纤维的静电现象就较严重 如毛纤维虽然 有较高的平衡回潮率 但其质量比电阻在天然纤维中最高 所以静电现象比较显著 合 成纤维的回潮率普遍较低 其电阻率高达1 0 q c m 电荷积聚现象更加显著 纺织生 产中纺织材料的带电现象常会导致纤维缠绕或堵塞机件 半制品或纱线毛发 断头 织 造时经纱开口不清 以及织物折叠不齐等现象 影响生产的顺利进行 纺织品在使用中 静电电荷的集聚易引起灰尘的附着 服装纠缠肢体产生粘附不适感 并可引起血液p h 值上升 血液中钙含量降低 尿中钙含量增加 血糖升高 维生素c 含量下降 穿着普 通服装在绝缘地面上行走时 人体静电电位可达到3 0 0 0 v 以上 外衣静电电位可达到 8 0 0 0 v 以上 较高的静电压可对人体产生电击 并引起电子元件损坏 静电放电可引起 火灾 炸药和电器用品的意外爆炸 静电放电产生的电磁辐射会对各种电子设备 信息 系统造成电磁干扰b 9 1 7 4 7 1 自合成纤维得到广泛应用 商精密仪器制造和电力的发展 合成纤维在加工和使 用中的静电问题和高技术工业发展促进了纺织材料抗静电技术的发展 从纺织材料抗静 电技术的方法和思路来看 一方面是降低纤维和织物的摩擦程度 控制静电荷的产生 另一方面是提高纤维或织物的导电性能 以加快静电荷的泄漏 由于在加工和使用中的 摩擦现象不可避免 故后者成为实际可行的技术思路 从纺织加工的角度来看 纺织品抗静电技术的关键在于低阻 长效 普适的新型 导电纤维的研制和应用技术研究 4 7 1 纺织材料抗静电技术的发展经历了以下3 个阶段 第5 页共5 5 页 舍有机导电纤维织物的研制与性能分析 i 用表面活性剂对纤维或织物进行亲水化处理 提高纤维或织物的吸湿性 从而 降低纺织品的电阻率 加快电荷的散逸 但此类方法的抗静电效果不能长久保 持 洗涤后抗静电效果会显著降低 且在低湿度环境中无抗静电性链 2 对纤维高聚物进行共混 共聚合或接枝改性引入亲水性基团 利用纤维极性的 搭配消除静电或制取抗静电纤维 抗静电纤维的电阻率为1 0 8 1 0 q c m 由 抗静电纤维制造纺织品或混用较高比例到普通合成纤维中 可消除纺织加工和 使用中的静电干扰 但在低湿环境中电荷逸散速度会明显减慢 抗静电效果不 显著 3 导电纤维的研制和应用研究 包括金属纤维 碳纤维 导电聚合物复合型和涂 覆型等导电纤维的研究 导电纤维的电阻率一般低于1 0 7 q c m 甚至小到1 0 4 1 0 4 q g i l l 一般在1 0 1 1 0 5 q c n i 导电纤维的应用使纺织品抗静电效果显著 耐久而且不受环境湿度的影响 可应用于防静电工作服等特种功能性纺织品 2 2 导电纤维的种类 1 金属纤维 金属纤维最早由美国b e k a e r t 公司在6 0 年代生产并且商品化的不锈钢纤维 b e k i n o x 金属材料的纤维化方法包括拉伸法 熔融纺丝法 切削法 结晶析出法等 使用最多的金属材料为不锈钢 铜 铝 镍等 通常制成短纤维与普通纺织纤维混纺织 造 可用于防静电地毯和工作服面料 金属纤维的特点是导电性能好 1 0 4 1 0 5 q c m 耐热 耐化学腐蚀 但弹性差 伸长小 粗硬挺直 表面粗造 造成抱合力小 可纺性 能差 制成高细度纤维时价格昂贵 成品色泽受限制 2 碳素导电纤维 粘胶基 p a n 基 沥青基碳纤维均为良好的导电纤维 1 0 一1 0 4 眦c m 且高强 耐热 耐化学药品性能优良 但纤维模量高 缺乏韧性 不耐弯折 易断 无热收缩能 力 不适合纺织品使用 碳短纤维可填加在地毯中 制造抗静电地毯 第6 贾其5 5 页 含有机导电纤维织物的研制与性能分析 3 导电聚合物制成的有机导电纤维 自1 9 7 7 年美国科学家a f h e e g e r 发现聚乙烯经掺杂有明显的导电能力以来 聚乙 炔 聚苯胺等导电聚合物迅速的发展 目前加碘聚乙炔的导电能力已达到室温下金属铜 的水平 1 0 4 q c m 但导电聚合物目前尚难应用于纺织品 主要体现在 主链中的 共轭结构使分子链僵直 不溶解 不熔融 难以纺丝 j 口q 某些导电聚合物中的氧原子 对水极不稳定 某些导电聚合物的单体有毒且怀疑是致癌物质 某些掺杂剂多有毒性 复杂的制成工艺使其制造成本昂贵 只有聚苯胺可用二甲基丙烯脲 d m p u 浓硫酸 等溶剂 采用湿法纺丝或干法纺丝直接加工成导电纤维 但价格昂贵 浓硫酸对设备的 耐腐蚀性提出了苛刻的要求 聚苯胺在导电态是不能熔融的 目前正在研究聚苯胺塑化 后熔融纺丝的方法 4 7 1 4 普通合成纤维涂覆导电物质制成的有机导电纤维 2 0 世纪6 0 年代末期 有机导电纤维开始生产 日本帝人公司 b a s f 公司率先开 发了表面涂覆碳黑的有机导电纤维 此后以普通合成纤维为基体 通过物理 机械化学 等途径 在纤维表面涂覆和固着金属 碳 导电高分子物等导电物质的方法接连出现 此类导电纤维可获得较低的电阻率 导电成分都分布在纤维表面 抗静电效果好 但在 摩擦和反复洗涤后皮层导电物质容易脱落 目前应用较广的碳黑涂覆型有机导电纤维的 电阻率通常在1 0 3 q c m 左右 5 复合型有机导电纤维 为寻求导电性能及其耐久性更好的导电纤维 1 9 7 4 年美国d u p o n t 公司率先开发了 以含碳黑的p e 为芯 p a 6 6 为鞘的皮芯复合型导电纤维a n t r o n 3 1 9 7 8 年日本东丽公司 生产了以含碳黑的聚合物为岛 p a n 为海的海岛型导电纤维 s a 一7 此后世界各大 化纤公司纷纷开始含碳黑复合型导电纤维的研究与开发 到了8 0 年代末期 日本碳黑 复合型导电纤维的年产量达到2 0 0 t 1 9 8 7 年日本武田敏之研制了 芯一中间层一鞘 结构的复合导电纤维 其中芯层和鞘层含聚乙二醇 间苯二甲磺酸钠等亲水性物质 中 间层为含3 5 碳黑的p a 纤维1 4 7 1 碳黑复合型有机导电纤维的电阻率通常在1 0 2 1 0 5 第7 页共5 5 页 占有机导电纤维织物的研制与性能分析 q c m 由于碳黑复合型导电纤维通常呈灰黑色 不适合于浅色纺织品 故其应用范围受到 很大的限制 有人曾对碳黑复合导电纤维采用增加含消光剂皮层的方法来屏蔽碳黑的黑 色 但效果有限 采用普通合成纤维长丝和碳黑复合导电纤维长丝做成混和的方法可降 低纺织品的灰度 但碳黑含量下降 以至导电能力受到影响 8 0 年代开始了导电纤维 的白色化研究 以粒径约l p m 的铜 银 镍 镉等金属的硫化物 或其碘化物 氧化 物为导电物质 通过复合纺丝法制得适合各种染色要求的白色导电纤维 如钟纺公司制 成z n 0 2 导电的b e l l t r o n 6 3 2 b e l l t r o n 6 3 8 尤尼吉卡公司开发了m e g a n a r h o n e p o u l e n c e 公司利用化学反应制成c u s 导电层的r h o d i a s t a t 导电纤维 帝人公司制成表面含有c u i 的导电纤维t 2 5 1 9 8 9 年日本押田正博以含c u i 的p e 为芯p e t 为皮制的导电涤纶 其电阻率随c u i 的粒度减小而减小 当c u i 的粒度从1 5 9 m 下降到0 9 9 m 时 纤维表 面电阻率从5 4 1 0 1 0q c i l 降至4 2 x1 0 8q c m 金属化合物导电纤维的抗静电效果 比碳黑复合型导电纤维差 复合型有机导电纤维中的导电组分沿纤维轴向连续 易于电荷散逸 各种成纤高聚 物均可作为复合型导电纤维的基体 导电组分由导电物质 高聚物和分散剂等组成 导 电物质的含量视聚合物基体的种类 导电物质类型和分布方式而异 一般在2 0 6 5 提高导电物质的含量和粒度有利于纤维的导电性能 但导电物质难以在聚合物基体中均 匀分散 且纺丝液流动性差 纺丝困难 纤维力学性能恶化 制造复合导电纤维的技术 关键在于提高导电物质在基体中的均匀分散性 复合结构有芯鞘结构 三层同心圆结构 三明治式夹心结构 海岛型 镶嵌放射型 多芯型 共混结构等等 碳黑或金属化合物 在复合结构中受到保护 故有良好的耐久性 其中 碳黑复合型导电纤维有较低的电阻 率 金属化合物复合导电纤维在纺丝时有较好的品种适应性 2 3 导电纤维的用途及开发状况 1 导电纤维的用途和效果 第8 页共5 5 页 古有机导电纤维织物的研制与性能分析 导电纤维中的导电成分有金属 金属化合物 碳黑等 使用最多的是碳黑 这里的 导电性能主要是基于自由电子的移动 而不依靠吸湿及离子的转移 所以导电纤维不依 赖于环境的相对湿度 它在r h 3 0 或更低的相对湿度下 仍能显示优良的导电或抗静 电性能 随着工业和科学技术的现代化 对材料的抗静电水平的要求越来越高 特别是电子 医药 精密仪器等工业的飞速发展 为了使仪器精确动作和保证操作的安全 都要求纤 维和织物有较高的抗静电或导电水平 导电纤维具有优秀的 远高于抗静电纤维的消除 和防止静电性能的能力 其比电阻小于1 0 8 q c m 优良者在1 0 2 1 0 5 q t i n 甚至更低的 比电阻范围内 因此 为了保证仪器的精度和操作的安全性的产业用工作服等多采用导 电纤维 比电阻达到1 0 一1 o 3f 2 c m 的导电纤维可以取得对电磁干扰的屏蔽 导电纤维 的主要用途和效果如表2 1 t9 1 所示 表2 1 导电纤维的主要用途和效果 比电阻纤维制品应用场合主要效果 精密仪器 机械零件 一 电子工业 照相 食品 防尘 防止仪器损坏 向无尘无菌衣 防止干扰计测 消除杂 医药 医院 计算机房 音 化妆品 塑料 纸 合成 防止电击 高抗静电手套纤维 合成皮革 橡胶制 品等的制造和加工 医院 旅馆 车辆 船 高抗静电毛毯 防止电击和引火爆炸 舶 极寒地区等 化纤毛毯 医院 旅馆 游艺场 防污 防电击 同 抗静电地毯 机关会客室等一般建筑物 第9 页菇5 5 页 舍有机导电纤维织物的研制与性能分析 内防止缠绕身体 防止穿 高抗静电缝纫 一般的外衣 裙子 脱衣服时不愉快的声 线 连衣裙 制服 内衣音出现 抗静电过滤 高 纺织 食品 化学 网防止引火爆炸 医药工业中有干燥粉末的 场合 石油精制 油罐 油 防爆型工作 船 加油站 涂装 石油消除静电 从而排除故 中服 化工 煤炭工业 纤维 瞳 消电装置 内朔料 胶片 纸 印刷 防止因静电而导致的 中 部放电式 橡胶 食品等的制造和加事故 工 导电工作服 供电公司 电力工程 中 公司 防止电磁波干扰 电磁波屏蔽 广播 电视台 电子 低 仪器 精密机器等 材料 建筑 交通道 屋顶加热器 马路加 由于发热而保温 防止 低 热器 冻结 溶雪而无触电危 路用平面发 险 热器 从表中可以看出以下产品需要导电纤维材料 它们是化纤地毯 防爆工作服 无尘 衣或无尘无菌衣 作为工业生产资料用途的带 管 滤布 刷子等 以及一般制服 礼 服 内衣 衬衣等 另外 在消电装置 电磁波屏蔽材料 防止杂音干扰用电线的包线 第1 0 页共5 5 页 舍有机导电纤维织物的研制与性能分析 和平面发热器中均开始利用导电纤维 总之 目前国内外导电纤维的使用量还很小 但 是从各方面的需要和导电纤维的研究开发趋势来看 其前途是非常广阔的 导电纤维比抗静电纤维的导电性强 混用量很少就有明显的抗静电效果 但是它的 成形加工较为复杂 并且纤维的力学性能和外观常常不理想 制造成本一般也高于抗静 电纤维 所以导电纤维和抗静电纤维各有所长 都是有生命力的重要的差别化纤维 2 导电纤维的开发状况 最早采用导电纤维来达到织物抗静电目的的是美国b r u n s w i c k 公司的不锈钢纤维 商品名称为b r u n s m e t 在世界上首次用于纺织加工 这种相当柔软 纤细的金属纤维 的出现 显然是优质材料和极高的制造技术水平的反映 金属纤维虽然具有优良的耐热 耐化学腐蚀性 柔软性 纤度也能接近一般纤维 但其比重大 强 伸度和摩擦特性与 有机纤维也不相同 特别是纤维之间抱合困难 扭曲和手感不良 导致混纺时纤维难以 均匀化 且混纺性能恶化 在一定程度上限制了这种导电纤维的纺织加工方法和用途 再加上价格昂贵 因此人们不断探索开发其他类型的导电纤维 其后出现的碳素纤维具 有良好的导电性 耐热性 优良的耐化学药品性和高初始模量 工业上将其加入地毯的 底布中 使地毯获得抗静电性 但纯粹的碳素纤维在某些机械力学性能方面 例如径向 强度等就显得很不理想 这也限制了它作为导电纤维的用途 碳素纤维一般多用于国防 电子等工业的复合工程材料中 长期以来 人们作了大量工作 努力开发聚合物有机导电纤维 希望它们能制成广 泛 多样化的纤维制品 使其即具有导电性 又兼具有一般纺织纤维所具有的性能 以 满足不断提高的生活 工业和特殊部门用纤维的需求 现在 这一努力正在取得进展 并且已开发出了多种形式的有机导电纤维 1 9 7 4 年 杜邦公司开发了用于地毯的导电 性复合的尼龙b c f 纤维a n t r o n 3 在地毯生产中成功地得到了应用 目前使用量正在不 断增加 a n t r o n 3 是一种同心圆状芯鞘复合型导电纤维 芯成分是含有碳黑的聚合物 鞘成分是尼龙6 6 鞘占纤维总体的9 6 这种导电纤维比电阻达1 0 3 1 0 5 0 c l l l 并且 几乎保持了尼龙6 6 的全部优良物理机械性能 在地毯或纺织加工中混入1 一2 这种导 第1 1 页共5 5 页 含有机导i b 纤维织物的研制 j 性能分析 电纤维 加工性能好 所得产品可以获得耐久的 满意的抗静电效果 1 9 7 8 年 日本东丽公司的导电性腈纶s a 一7 丌发成功 含有导电性微粒子的特殊聚 合物在纤维中呈岛状微观分散 在拉伸后这些岛沿纤维轴方向取向排列 变细伸长形成 导电的微纤构造 作为海成分的聚丙烯腈提供优秀的纤维物理性质 岛成分中的导电性 微粒子是碳黑 它赋予了纤维导电性能 该纤维已工业化生产 现在已经有多种有机导 电纤维产品问世 产量很小的金属纤维的品种也有所增加 人们把抗静电纤维制品的开发分成三代 其特点为 第一代是用抗静电剂对织物等 纤维制品进行表面处理和后加工整理的方法 第二代是在纤维成型阶段 将抗静电物质 混入基体聚合物中 用共混纺丝制取抗静电纤维的方法 第三代的特点就是以导电纤维 为基础的混纺 混纤 交捻 交编 交织等的混合使用方法 我国的导电纤维开发和工 业化已经开始 随着我国化学纤维工业的高速发展以及人民生活水平的提高 医学 电 子 通讯 精密机械工业现代化的发展 导电纤维的研究和生产有必要而且有可能迅速 得到提高和发展 2 4 有机导电纤维的应用 研究表明 1 碳黑涂覆型 碳黑复合型和金属化合物复合型有机导电纤维不论在力 学等物理性能 耐化学性能各方面都能满足纺纱 织造的加工要求 在解决纺织品的抗 静电永久性问题方面有着显著的效果 但是如何将有机导电纤维进行正常的纺织生产 如何保证在达到产品抗静电要求的同时 满足纺织品的外观要求并实现最佳的性能价格 比 国内外均未见报道 本课题在探讨有机导电短纤维的选用原则和混合加工方法的基 础上 研究有机导电短纤维的添加量 织物组织结构的变化与织物抗静电效果之间的关 系 以及碳黑复合型有机导电短纤维在棉型涤纶织物中使用时的抗静电效果 1 有机导电纤维的选择 有机导电纤维的类型 型号 规格等各种技术指标各不相同 在选择有机导电纤维 时必须以最终产品的物理 化学等性质和抗静电性能要求作为选用依据 寻求与最终产 第12 砸其1 2 砸 岔有机导电纤维织物的研制与性能分析 品技术指标相适应的有机导电纤维 有机导电纤维的主要技术指标包括基体种类 如p e t 基 p a 6 6 基等 导电物质种 类 碳黑 金属氧化物 金属碘化物等 和含量 结构形式 涂覆型 复合型等 以 及色泽 模量 沸水收缩率 卷装大小等 导电纤维的基体种类应选择与基础织物所用纤维材料性质相一致为好 以便于纺织 加工和染色加工 目前 国内外生产的有机导电纤维以p e t 基 p a 基为多 但由于p e t 基有机导电纤维价格较贵 进口须办理许可证 故实际使用时仍以p a 基为主 本课题 选用了p a 基有机导电纤维 有机导电纤维中导电物质的种类 含量和结构形式决定了导电纤维的色泽和电阻 率 以碳黑为导电物质时 其电阻率通常低于以金属化合物为导电物质的有机导电纤维 但色泽较深 且随含碳量的增加 电阻更小 色泽更深 不适用于浅色纺织品 涂覆型 导电纤维的电阻率小 但在洗涤后碳黑易脱落 造成耐久性差 而复合型有机导电纤维 则与之相反 在洗涤后碳黑不易脱落 耐久性好 所以在选用有机导电纤维种类时应根 据产品的抗静电性能和色泽合理选用 由于导电长丝和短纤的细度一般在1 5 3 5 9 m 左右 无法直接使用 必须与普通纤 维复合或混纺 故其强度要能满足复合加工或纺织加工即可 导t 电纤维本身的断裂强度 和断裂伸长率通常能满足加工和使用要求 且导电纤维在织物中的含量较低低 所以其 模量的差异不会引起织物手感的变化 导电纤维细度较细 延伸性好 即使其沸水收缩率与基础织物的纤维有差异 也不 会造成布面不平或自身断裂 故沸水收缩率指标通常无严格要求1 4 1 导电短纤维的细度和长度显然应与基础织物所用的纤维和纱线类型相适应 只有这 样 导电短纤维才能顺利进行纺织加工 导电长丝的细度和卷装大小是与生产成本和生 产效率密切相关的技术经济指标 有机导电纤维的价格通常较贵 在满足顺利加工的前 提下 选用纤度小 卷装大的长丝纤维 有利于降低成本 提高效率 由于抗静电要求 成本和外观要求各不相同 当导电纤维的选择出现困难时 还可以从导电纤维与普通纱 第1 3 页其5 5 页 含有机导电纤维织物的研制与性能分析 线的复合或混纺方式上 导电纤维在织物中的嵌入方式上进行选择 2 有机导电纤维与普通纤维的复合 有机导电纤维在织物中的含量为百分之几到百分之几十即可达到不同等级的抗静 电效果 因此 导电纤维不会纯纺使用 必须与其他普通纤维实现合理的混合 使导电 纤维均匀地分布于基础织物 纺织品的最终用途不同 其抗静电性能和外观要求也不同 有的纺织品需要将导电纤维严密隐蔽 不得外露 使产品具有抗静电能力而不显现导电 纤维 如一般服用织物面料和时装面料 有的纺织品则要求突显和夸张导电纤维的使用 在具备抗静电性能的同时标榜其抗静电功能的存在 起到标志作用 如抗静电工作服面 料 针对不同需求 应采取相应的混合方法 短纤维织物添加有机导电纤维时 采用混纺的方式有良好的设备适应性 导电短 纤维混纺可以做成高比例纱线嵌织于基础织物和低比例混纺均匀分布两种形式 高比例 纱线作为嵌织用导电纱使用时同嵌织导电长丝一样 另外 以低比例均匀混纺方式进行 纺织生产时可消除纺织生产过程中的静电干扰现象 短纤维也可采用赛络纺 包芯纺 空心锭纺纱 并捻 空变网络丝等设备与导电丝进行复合加工 长丝织物中添加导电丝最简便的方法是在化纤纺丝时直接复合导电丝 实践证明 在d t y 机 d t 机 a t