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自动生成自动生成XXXX范文范文 I309国道馆陶至邯郸段养护改造工程 馆陶至定魏环岛段 施工组 织设计邯郸市光太公路工程有限公司309国道馆陶至邯郸东段养护改 造工程项目经理部xx年6月II目录III1第一章前言1 1导电纤维的国 内外发展概况人类对静电现象自古就有所观察和研究 在公元前6世 纪 人类就发现琥珀摩擦后 能吸引轻小物体的静电现象 但直至20世纪中期 随着工业生产的发展 因静电造成的事故日益 增多 静电作用和引起的危害才引起各国研究机构和学术组织的重 视 1 2导电纤维的分类及制作方法1 2 1金属导电纤维金属导电纤维最 早使用不锈钢纤维 亦有镍 铁 铜 银丝 通常制成短纤维 与 普通纺织纤维混纺制造 其电磁屏蔽性能的优劣取决于导电材料的比例 导电原料的相对导 磁 导电系数 织物密度 织物结构厚度等因素 1 2 2碳纤维碳纤维导电性能良好 电阻率为10 3 10 5cm 但尚不能满足电磁屏蔽的要求 需要在纤维表面形成一层导电膜 提高电磁屏蔽效果 碳纤维耐热 耐化学药品 且高强 但缺乏韧性 不耐弯折 无热 收缩能力 不适于纺织品使用 碳纤维可填加于地毯胶乳中 赋予共导电性 碳纤维与高分子材料 制成导电性复合材料 当碳纤维含量较低时 碳纤维填充的复合材料可以作为永久型抗静 电材料 当碳纤维含量很高时 可制成电磁屏蔽材料 利用碳黑的导电性能制造导电纤维是比较古老而普遍的一种 制造 方法有三类 第一种方法是掺杂法 将炭黑与成纤物质混合后纺丝 炭黑在纤维 中成连续相结构 赋予纤维导电性能 这种方法一般采用皮芯层纺丝法 既不影响纤维原有的物理性质 又使纤维有导电性 第二种方法是涂层法 涂层法是再普通纤维表面涂上炭黑 涂层方法可以采用粘合剂将炭黑粘合在纤维表面 或者直接将纤维 表面快速软化并与炭黑粘合 这种方法缺点是炭黑易脱落 手感亦 不好 炭黑在纤维表面不易均匀分布 第三种方法是纤维炭化处理 有些纤维 如丙烯腈系纤维 纤维素纤维 沥青系纤维 经过炭化 处理后 纤维的主链主要为炭原子 而使纤维具有导电能力 采用 较多的还是丙烯腈系纤维的低温炭化处理法 21 2 3导电高分子型纤维高分子材料是绝缘体 而上世纪70年代聚 乙炔导电材料的研制成功却打破了这种传统观念 之后 又相继诞生了聚苯胺 聚吡咯 聚噻吩等高分子导电物质 人们对高分子材料导电性能的研究也越来越广泛 利用高分子制备导电纤维 主要方法有以下几种 1 导电高分子材料直接纺丝法 如聚苯胺配成浓溶液 在一定的 凝固浴中拉伸纺丝 这种聚苯胺的制备 是苯胺在酸性介质下 用氧化剂 如过硫酸铵 氧化聚合的 采用的溶剂有N 甲基 2 吡咯烷酮 NMP N N 二甲基丙尿 DMPU 或浓硫酸 日本也有这种产品 聚苯胺的合成机理比较复杂 目前尚不十分明确 且聚苯胺的导电 性能与其他物质的掺杂很有关系 如中性的聚苯胺是绝缘体 掺杂 质子酸后即能导电 目前这 电视 高压线方面的研究仍在进展中 由于聚苯胺纺丝的溶剂都是非常有用的溶剂 目前已有专门的研究 以及解决普通的溶解可溶性问题 采用办法有质子酸掺杂 结构 装饰 聚苯胺复合衍生物 聚苯胺交替颗粒 1 2 422222222222222222222222222222222222导电高分子型纤维1 3 导电纤维的用途及市场前景合成纤维在使用过程中易产生静电 对 工业生产和人民生活都会带来危害 随着高科技的发展 静电危害所造成的后果不仅仅限于安全问题 静电放电所造成的频谱干扰危害 是在电子 通信 航空航天以及 一切现代电子设备仪器场合 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 精密机器煤矿 食品 医药等行业 均对静电保护 有特殊的要求 因此 采用抗静电导电织物 薄膜 薄板等复合材料 或者导电性 塑料填料屏蔽电磁波 防止静电带电 静电效应等 将有利于减少 静电危害 导电纤维广泛应用于纺织品 通用工程 耐用工程塑料 汽车制造 运动器材 航空及宇航等方面 1 4理论基础1 4 1静电的产生纤维材料都是由某种大分子组成的 分子则由原子组成 原子是由带正电的原子3核和带负电的电子组成 从整个大分子来看是中性的 即电子所带的负电量之和等于原子核 所带的正电量 在原子中 外层电子受原子核引力较小 电子失 在一定的外界条件下 物体间可以发生电子的转移 接受电子的物 体由于电子过剩而显负电 失去电子的物体则显正电 实际上 这种外界因素影响下使物体产生电荷的过程 就是所谓的 起电现象 如果产生的电荷固定在物体上而不流动 则为静电荷或静电 带电荷的物体则称为带电体 纤维之间的相互摩擦或纤维与其他材料进行摩擦 甚至在纤维受到 拉伸 压缩以及在干燥的电场中受到感应 都能起电 纤维静电的发生 大部分是在摩擦过程中产生的 但本质上还是由 于两物体的接触作用 摩擦只不过是增加了接触面积 减小了接触 间隙 纤维在生产加工和穿着使用过程中 由于接触面间的运动摩擦 发 生了接触和分离的过程 电荷在表面层附近发生了移动 因而产生 了静电 实验证明 两物体的表面接触距离小于2 5 10 7cm时 它们就具备了摩擦起电的可能性 摩擦和运动越激烈 就越可以增加两物体达到小于2 5 10 7cm以下接触距离的可能性 1 4 2摩擦起电机理1 4 2 1偶电层理论一般的摩擦起电现象 由两 摩擦物体的接触和分离两个过程组成 在摩擦接触表面层间距小于2 5 10 7cm的情况下 界面两侧的分子就会互相吸引 这种吸引作用是由于分子内部原子核对彼此的电子吸引产生的 这是因为位于表面层分子的电子 既受该物体的原子核吸引 又要 受到界面另一侧的不同物质的原子核吸引 而两侧原子核吸引电子 的能力不同 同时位于界面两侧的电子又有互相排斥作用 其共同 作用的结果 吸引电子能力强的那种物质的原子核 会使界面另一 侧的部分电子偏向界面移动 同时使它原来吸引的部分电子被排斥 到离开界面的方向 这样在界面两侧相对集中了相反电荷的吸附层 在离开界面的方向上分布着与各自界面一侧电荷符号相反的粒子扩 散层 以上电子移动 伴随着离子转移 形成了如图所示的偶电层 此外具有极性基团的纤维大分子由于受接触电位差的影响发生极化 接触时材料的压电效应摩擦时的不对称性导致的两材料的温度差 引起电荷转移等 都能促进或加强偶电层的形成 1 4 2 2量子力学理论量子力学理论对静电放电的解释是摩擦静电电 压可能很高 但摩擦功的大小有限 所以带电量是有限的 因此即 使与此带电体接触或被其放电击中 也不会对人体造成危险 41 4 2 3纤维的静电积聚过程纤维的静电积聚过程 实际上是电荷 的产生和电荷的散逸的动态平衡过程 在纤维的摩擦接触中 产生了静电积累 此时与大地的电位差就会 增加 泄漏的电荷量也增加 纤维束绕经导辊的过程中 纤维束与导辊先摩擦接触而后分离 产 生的静电过程1 4 2 4导电纤维的导电机理导电纤维能将产生的静电 泄漏和分散掉 防止静电的局部聚集 同时 导电纤维还具有很强的电晕放电能力 能起到向大气放掉静 电作用 这种电晕放电是一种极微弱的放电现象 不会发生危险 它可分为 导电纤维接地和导电纤维不接地两种情况 7 1 4 2 5导电纤维接地当导电纤维与带电体接近时 在带电体与导电 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 了局部的离子活化领域 如图1 4 当带电的带电体与接地的导电纤维接近时 在导电纤维周围的空 气由于绝缘被击穿 电晕放电生成了正 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掉 1 4 2 6导电纤维不接地消除电荷的机理是这样的 1 含导电纤维的织物由于摩擦而带上电荷 2 织物带电体中产生的电荷向导电纤维汇集 导电纤维中诱导了 与织物符号相反的电荷 3 导电纤维附近被诱发产生强电场 使其周围的空气受此电场的 作用而电离 电晕放电过程 1 4 2 7几种导电理论模型在导电纤 维等复合型导电高分子材料日益获得广泛应用的同时 人们仍一直 不断努力地探讨其导电机理 并进行了广泛的研究 目前比较流行的有两种理论 一种是 1 4 2 8导电聚合物的导电机理对于导体而言 在常温下 由于Bolt zmann分布及能带紧密相间的能隙 使得价带与导带之间的能隙为零 电子可轻易的从价带跳跃到导带而导电 称为导体如果价带与导 带之间的能隙小于3ev时 电子从价带跳跃导导带不是很容易 称为 半导体当价带与导带之间的能隙超过3ev时 电子无法从价带跳跃到 导带 称为绝缘体 5图1 6为绝缘体 半导体 导体能隙示意图 1 5真丝的组成结构以及性能真丝是一种蛋白质纤维 它主要由真丝 和丝胶两部分组成 主要构成元素为C H O N S等 丝胶包在真丝蛋白的外部 约占丝纤维质量的25 可通过精练脱胶 除去 真丝蛋白是真丝中的主要组成部分 约占重量的70 以反平行 折 叠构象为基础 形成直径大约为10nm的微纤维 无数微纤维密切结 合组成直径大约为1 m的细纤维 大约100根细纤维沿长轴排列成单 纤维 即真丝蛋白纤维1 7真丝的组成结构 20 1 6本课题研究的意义和内容导电长丝是一种 性能优良的永久性抗静电材料 国内外科技人员经过几十年的研究 虽已发明了导电性锦纶 涤纶等长丝 用于消除相应的化纤织物的 静电危害 然而这类长丝不仅制造工艺复杂 价格昂贵 而且与蚕 丝相比 质地较硬 染色制造困难 因此不适宜用于丝绸织物 另外 普通蚕丝是绝缘体 电阻很高 特别在湿度低的情况下 比 电阻很大 容易产生静电 当蚕丝经过导电处理后 由于导电物质均匀的分布在真丝表面或内 部 使其电阻急剧下降 在同样的湿度下 真丝纤维的比电阻下降6 8个数量级 用这种导电蚕丝与普通蚕丝或化纤混纺交织 织成抗静电织物 若织物带有静电 则蚕丝由于静电感应而带上异种电荷 因而建立 一个电场 使得蚕丝周围空气电离 发生电晕放电 在周围空气中 产生正负电荷 从而消除静电的目的 本课题研究的主要内容有 1 以3 4 乙烯二氧噻吩为聚合单体 讨论了反应温度 溶液pH值 单体浓度 反应时间对真丝增重率 体积比电阻以及真丝纤维K S值的影响 确定了改性真丝纤维在最佳导电性能下最佳工艺条件 2 测定在最佳工艺下改善真丝的强力 水洗牢度 傅立叶红外 X 射线衍射等分析测试分析真丝纤维用3 4 乙烯二氧噻吩结构的变化 3 以苯胺为单体在真丝上发生吸附聚合 考察盐酸的浓度 引发 进过硫酸铵的浓度 反应温度 反应时间对真丝增重率及真丝纤维K S值的影响 并讨论了真丝增重率对真丝导电性能的影响 4 用甲磺酸 对苯基磺酸 磺酸基水杨酸对已吸附过的聚苯胺纤 维进行掺杂处理 考察掺杂酸浓度 掺杂温度等因素对改性纤维导 电性能的影响 最后确定最佳导电工艺 5 对改性纤维进行K S值测试 分析改性纤维颜色均匀性 对改 性纤维进行水性实验 分析经吸附 掺杂后的真丝纤维导电耐水洗 牢度 用扫描电镜傅立叶红外 6X 射线衍射等测试工具分析改性纤维结构的变化 测试改性纤维的强 力 分析改性后真丝机械性能的变化 7第二章3 4 乙烯二氧噻吩对真丝改性及其导电性能研究2 1聚3 4 乙烯二氧噻吩的结构聚3 4 乙烯二氧噻吩 PEDT 聚合物 具有优良的环境稳定性和电导率 25 26 它的电导率高达600S cm 27 2 2聚3 4 乙烯二氧噻吩的导电机理聚合物分子导电应具备的必要条件是分子 链应该是一个大 共轭体系 共轭双键或共轭与带有未成键P轨道的 杂原子N S等偶合 与金属导电需要自由电子和供电子运动的轨道 一样 聚合物的导电也需要有电荷载体和可供电荷载体自由运动的 分子轨道 这些条件聚3 4 乙烯二氧噻吩 PEDT 聚合物是具备的 本章实验完成了3 4 乙烯二氧噻吩在真丝表面的吸附聚合 研究掺杂后真丝导电等性能 2 3实验2 3 1实验原料及试剂实验原料真丝纤维 市售 2 3 2聚合 工艺将真丝纤维放入皂洗液中洗涤以去除表面杂质后晾干 皂洗条 件为中性皂粉5g L pH9 5 10 浴比1 40 温度90 时间1h 将1g皂洗处理过的真丝纤维加入100mL浓度为0 02mol L的盐酸溶液 中在常温下浸泡40min后 先后加入5mL渗透剂 JFC 一定量的3 4 乙烯二氧噻吩单体 3g引发剂过硫酸钾 在20 80 的条件下振荡反应1 12h 反应结束 自然冷却至常温后将纤维洗净至溶液澄清 此时纤 维成墨绿色 烘干 82 4真丝的性能测试2 4 1增重率2 4 2体积比电阻的测试纤维体积 比电阻的测量 29 取五根单纤维成束 用万用表测定1cm间电阻值R 按下列公式计算体积比电阻RV R S L 5 10 6RD d cm 式中RV 纤维体积比电阻 cm R 测的电阻值 S 纤维的截面积 cm2 L 测定纤维的长度 cm d纤维的密度 g cm D纤维的线密度 dtex 采用两点法电阻测量参考文献 30 介绍 方法的进行 注测试条件为温度20 相对湿度65 2 4 3强力测试在Instron 3365型单丝强力仪上测试 每根纤维测十次求平均值 测试条件为温度20 相对湿度65 2 4 4X射线能谱元素分析用日本理学电机株式会社的D Max C仪测试 样品用哈氏切片器切成粉末 试验条件为CuK 0 1542nm 等电压40KV 等电流30mA 扫描 速度20 min 从2 的50 450进行扫描 得到真丝的X射线衍射强度I 2 曲线2 4 5表面衰减红外光谱分析采用傅立叶变换红外光谱仪N icolet5700测试 扫描范围600 4000cm 1 扫描次数为120 分辨率4cm 1 测试真丝表面红外谱图 2 4 6真丝表面形态采用日立公司Hitachi S 4700冷场发射扫描电镜 SEM 观察真丝织物的表面形态 加速电压 15KV 放大倍数5000倍 真丝体积比电阻最小 此时导电性也最强 这是因为聚3 4 乙烯二氧噻吩 PEDOT 的量的增加明显改善了真丝导电性能 导电聚 合物越多 导电性越佳 92 5影响的因素2 5 1反应时间的影响在反应液pH6 其他条件同上 将反应时间调整为3h 6h 9h 12h 15h 18h对真丝纤维进行处理 考察了反应时间对真丝增重率及体积比电阻的影响 2 5不同因素对真丝增重率及体积比电阻的影响2 5 2反应液pH值的 影响在固定其他工艺条件不变的情况下反应时间为24h 单体的浓度 0 05mol L 温度为常温 浴比1100 调节液的pH从2到9 对真丝纤 维进行处理 考察反应液pH对真丝增重率 体积比电阻以及K S值的 影响 注柱状表示体积比电阻 点表示增重率 2 5 3单体浓度的影响在 反应时间为12h 其他条件同上 调节单体浓度为0 05mol L 0 1mo l L 0 2mol L 0 3mol L 0 4mol L 对真丝纤维进行处理 考察 了单体浓度对真丝增重率及体积比电阻的影响 2 5 4反应温度的影响在其他条件同2 6 3 单体浓度为0 3mol L 调节反应温度为20 30 40 50 60 70 80 处理 真丝纤维 考察了单体浓度对真丝增重率及体积比电阻的影响 10第三章聚苯胺对真丝改性及其导电性能的研究3 1聚苯胺的结构导 电聚苯胺是苯胺分子的1 4 偶联等轴反应产物 反应条件不同 得到的聚苯胺氧化程度也不一 样 这可以从聚苯胺的结构式中体现出来 36 y1 yn其中y代表聚苯胺的氧化程度 当y 1时 为完全还原的全苯式结 构 当y 0 5时 为苯醌比为31的半氧化半还原结构 掺杂后导电性 最好 3 2聚苯胺的导电机理物质的能带结构决定其电学性质 物质的能带 由各分子或原子轨道重叠而成 分为价带和导带 通常禁带宽带 10 0ev时 电子很难激发到导带 物质室温下是绝缘带 而当禁带宽度为1 0ev时 电子可通过热 振动或光等方式激发到 导带 物质为半导体 经过掺杂的聚苯胺 其 成键轨道组成的价 带与 反键轨道组成的导带之间能带宽 禁带 为1 0ev左右 所以 聚苯胺有半导体特性 聚苯胺的导电机理同其他导电高聚物的掺杂机制完全不同它是通过 质子酸掺杂 质子进入高聚物链上 使链带正电 为维持电中性 对阴离也进入了高聚物链 掺杂后链上电子数目不发生变化 其导 电性能不仅取决于主链氧化程度 而且与质子酸的掺杂程度有关 其他大多数导电高聚物如PA 聚吡咯等属于氧化还原掺杂 掺杂后 链上电子数目要发生变化 影响导电稳定性 聚苯胺的掺杂由扩散和化学反应2个过程控制 掺杂初期主要有扩散 过程控制 相对分子质量较小的无机酸易于扩算 所以掺杂效果好 相对分子质量较大的有机酸扩散较慢 且影响因素较多 用质子酸掺杂时优先在分子链的亚胺氮原子上发生质子化 生成荷 电元极化子 使聚苯胺链上掺杂价带上出现空穴 即P型掺杂 使分 子内醌环消失 氮原子上正电荷离域到大共轭键中 使聚苯胺呈现 出高导电性 4911第四章结论与展望本文通过用3 4 乙烯二氧噻吩和苯胺两种单体 改性真丝纤维 通过工艺条件和真 丝改性后导电性能 结构变化等方面分析 得到了如下结论1 真丝 采用3 4 乙烯二氧噻吩吸附聚合 在温度70 pH 6 单体浓度0 3mol L 反应时间为12h的时真丝增重率最高体积比电阻最小 得到的试样的 导电性能较未改性真丝有很大的提高 原样真丝纤维体积比电阻高达八个数量级以上 但是改性后减少到 三个数量级 远远达到了导电纤维的要求 2 通过X 射线衍射测试 发现改性真丝的纤维结晶状态基本没有发生变化 主衍射峰依然在21 表明改性反应发生在真丝纤维的非结晶区 并通过改性真丝与原样真丝的红外光谱谱图进一步对比分析可以发 现导电聚合物成功地在原纤维表面生成并覆盖 真丝用3 4 乙烯二氧噻吩改性后 对真丝纤维本身结构几乎没有损伤 另外纤维的强力有所改变 但变化不是很大 当增重率小于40 时 纤维强力略有损伤 当真丝纤维大于40 时 真丝纤维强力略有升高 3 改性后真丝呈深黑色 通过纤维的K S值测试 改性的真丝纤维色 差不明显 颜色均与性比较好 通过水洗实验分析 改性真丝纤维水洗后 导电性能有所降低 洗 到一定次数后 导电性能降低缓慢 改性后的真丝纤维有一定的耐 水洗牢度 4 通过苯胺改性真丝纤维实验分析得知 真丝对聚苯胺的吸附聚合 最佳工艺条件为盐酸的浓度为0 8mol L 过硫酸铵的浓度为0 03mol L 反应温度为10 反应时间为4h 5 改性真丝纤维的导电性与真丝纤维所吸附的聚苯胺含量有关 真丝上吸附的聚苯胺含量越高 覆盖越均匀 导电性能越