影響鍍銀纖維長絲導電性能的因素分析

謝 勇，杜 磊，張嘉楠，葉曉露，鄒奉元

(浙江理工大學服裝學院，杭州310018)

在應用導電纖維制作抗靜電、防輻射類功能服裝時，使用的導電纖維或紗線的導電性能對服裝的功能性有很大的影響，即導電纖維電阻率越小，電荷越容易流通，靜電電荷也就越容易泄漏。P.XUE等[1]通過研究拉伸、溫度、濕度與PPy導電涂層纖維導電性能之間的關系，建立了拉伸、溫度、濕度與PPy涂層纖維導電性能之間的理論模型;Wenmin Qu等[2]研究了溫度、濕度與鉑金薄膜導電性之間的關系，制作的鉑金傳感器具有優異的傳感性能。鍍銀纖維作為表面金屬化導電纖維的一種，由于其優異的導電性能近年來在功能服裝上得到了廣泛的應用。因此，本文主要研究鍍銀纖維長絲導電性能的影響因素，包括溫度、濕度、股數、捻度、氧化時間和摩擦次數，為后續嵌織鍍銀纖維長絲抗靜電織物的研究提供參考。

1 實驗

1.1 材料及儀器

材料:錦綸基鍍銀纖維長絲(青島亨通偉業科技有限公司)。

儀器:YG751B型電腦式恒溫恒濕箱(寧波紡織儀器廠)，Fluke289萬用電表(福祿克測試儀器(上海)有限公司)，Y(B)331D半自動紗線加捻儀(溫州大榮紡織標準儀器廠)，JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(日本JEOL公司)，BS224J電子天平(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司)。

1.2 測試方法

1.2.1 鍍銀纖維長絲導電性能

將不同單位長度的鍍銀纖維長絲順直固定在絕緣板上，用絕緣膠帶粘貼長絲兩端，在溫度(22±2)℃、相對濕度為(65±5)%條件下調濕24 h后，用Fluke289萬用電表測試其電阻，測試結果為10次的平均值。

1.2.2 溫度、濕度對鍍銀纖維長絲的導電性能影響

將上述所制的試樣置于恒溫恒濕箱內，調節恒溫恒濕箱內的溫度與濕度:相對濕度為65%情況下，設置溫度0～50℃來研究溫度變化對其導電性能的影響;設置溫度為22℃，濕度20%～80%時來研究濕度對導電性能的影響，待平衡后，利用Fluke289萬用電表測試鍍銀纖維長絲的電阻，測試結果為10次的平均值。

1.2.3 加捻、并股對鍍銀纖維長絲的導電性能的影響

利用Y(B)331D半自動紗線加捻儀，對鍍銀纖維長絲進行加捻，取樣固定于絕緣板上，用Fluke289萬用電表測試鍍銀纖維長絲的電阻，測試條件為溫度(22±2)℃，相對濕度為(65±5)%，測試結果為10次的平均值。

1.2.3 鍍銀纖維長絲的耐久性

利用Y151紗線耐磨性能測定儀對鍍銀纖維長絲摩擦50、100、200、300、500、1000 次，測量經摩擦后鍍銀纖維長絲的電阻變化。測試條件為溫度(22±2)℃，相對濕度為(65±5)%，測試結果為10次的平均值。

2 結果與討論

2.1 鍍銀纖維長絲的導電性能

線性導體其電阻與導體長度的關系為:

式中:ρ為導體的電阻率，L為導體的長度，S為導體的橫截面積。

即線性導體的電阻與其長度成正比，圖1利用Origin 8.0對所得到的數據進行擬合，得到公式y=4.654 2 x，R2=0.996 8，利用掃描電鏡觀察鍍銀纖維長絲，結果見圖2。

圖1 鍍銀纖維長絲長度與電阻的關系Fig.1 The resistance per unit length ofsilver-plated filament

圖2 鍍銀纖維長絲單紗SEM照Fig.2 The SEM photograph ofsilver-plated filament

鍍銀纖維長絲單纖維的直徑為21.5μm，利用式(2)計算鍍銀纖維長絲的截面積S:

式中:S為鍍銀纖維長絲橫截面積，m2;K為鍍銀纖維長絲中單紗的數目，根;D為鍍銀纖維長絲單紗的直徑，m。

經計算，銀的質量分數為41.752%的鍍銀纖維長絲其電阻率為4.0574×10－4Ω/cm，不銹鋼和碳素纖維的比電阻約為10－5～10－2Ω/cm，纖維表面包覆型和成分復合型導電纖維的比電阻約為102～105Ω/cm。由此可見，錦綸表面鍍銀后其比電阻遠遠小于表面包覆型及復合型導電纖維，具有較好的導電性能。

2.2 溫度、濕度對鍍銀纖維長絲導電性能的影響

溫度會影響到鍍銀纖維長絲的導電性能。一般來講，純金屬的電阻隨溫度的升高其阻值增大，溫度升高1℃其電阻值要增大千分之幾，碳和絕緣體的電阻隨溫度的升高而減小，半導體電阻值與溫度的關系很大，溫度稍有增加電阻值減小很大。圖3是溫度對鍍銀纖維長絲的電阻響應關系，對鍍銀纖維長絲而言，隨著環境溫度的上升(0～50℃)，鍍銀纖維長絲的電阻呈指數下降，利用Origin 8.0對所得到的數據進行擬合，得到擬合方程 y=4.65exp(x/15.25)，R2=0.996 4，電阻的變化值約為4 Ω。

圖3 溫度對鍍銀纖維長絲導電性能的影響Fig.3 Effect of temperature on the conductive properties ofsilver-plated filament

這種現象的出現有兩種原因:一方面，與鍍銀纖維長絲的構成有關系，鍍銀纖維長絲基體為錦綸，屬于絕緣體的范圍疇，其電阻隨著溫度的升高而減小，且鍍銀纖維長絲中銀含量小于錦綸的含量。因此，隨著溫度的升高，鍍銀纖維長絲的電阻會相應地減小。另一方面，與鍍銀纖維長絲表面少量的銀被氧化有關系。因為金屬銀在空氣中往往會與空氣中的硫化物進行反應生成Ag2S，而Ag2S有負溫度系數的特性，是一種具有負溫度系數的熱敏材料，即隨溫度上升電阻呈指數關系減小[3]。

濕度對鍍銀纖維長絲電阻的影響如圖4所示。利用Origin 8.0對所得數據進行了擬合，得到擬合方程為 y=0.164x+16.44，R2=0.961 1。可以看到，鍍銀纖維長絲的電阻隨著濕度的不斷增加而呈線性增大，但是增幅緩慢，所以擬合出鍍銀纖維長絲電阻隨著濕度變化的一次函數曲線斜率很小(0.163 74)。一般而言，纖維的吸濕性越強，其電阻越小，纖維的吸濕性差，其電阻也就越大[4]。而在該實驗中，鍍銀纖維長絲的電阻隨著相對濕度的增大其電阻反而變大。這與本實驗中使用的恒溫恒濕箱內的去離子水，即去除呈離子形式雜質后的純水有關系。去離子水由于去除掉了水中的離子而使得電阻率要遠遠大于平時使用的水，當濕度增大時，鍍銀纖維長絲表面會覆蓋一層水膜，且水膜的連續程度隨著相對濕度的增大而變大[5]。因此，鍍銀纖維長絲的電阻會變大，其導電性能變差。

圖4 相對濕度對鍍銀長絲導電性能的影響Fig.4 Effect of relative humidity on the conductive properties ofsilver-plated filament

2.3 加捻、并股對鍍銀纖維長絲的導電性能的影響

對于金屬導體來講，纖維體的扭轉形變都會使導體本身的電阻增大。金屬經過塑性形變使電阻變大的原因是由于形變使點陣產生缺陷和畸變，導致電子波的散射增強。紡織加工過程中的加捻是一種塑性形變的手段，加捻使得纖維間產生正壓力，而形成切向的摩擦阻力，同時，加捻使纖維產生張力。因此，對鍍銀纖維長絲進行加捻，鍍銀纖維長絲內的單紗由于相互擠壓、摩擦的原因，勢必會影響到鍍銀纖維長絲的導電性能。本實驗對不同捻度的鍍銀纖維長絲的電阻進行研究，鍍銀纖維長絲隨著捻度的增大其電阻也在不斷地增大，而且變化趨勢越來越大，當鍍銀纖維長絲捻度到250捻/10cm時，其電阻迅速增大直至斷裂，結果見圖5。

圖5 捻度對鍍銀纖維長絲導電性能的影響Fig.5 Effect of twist effects on the conductive properties ofsilver-plated filament

將鍍銀纖維長絲并股，利用導體理論，可看做將導體進行并聯，并股后的鍍銀纖維長絲集合體也就類似于若干根電阻的并聯。實驗結果與理論推測模型一致。鍍銀纖維長絲的電阻隨著并股數的增加而呈倒函數下降，對實驗數據進行曲線擬合，得到擬合方程 y=25.686x－0.8696，R2=0.994 4，結果見圖 6。

圖6 股數與鍍銀纖維長絲導電性能的關系Fig.6 Effect of Strand numbers on the conductive properties ofsilver-plated filament

2.4 鍍銀纖維長絲的耐久性

銀是一種不穩定的金屬，會因為外界因素變黃變黑，使含有鍍銀纖維長絲織物的美觀與色澤嚴重損害。因此將鍍銀纖維長絲靜置于空氣中進行氧化，每隔1周選樣進行測試，其電阻的變化見圖7。

圖7 氧化與鍍銀纖維長絲導電性能的關系Fig.7 Effect of oxidation on the conductive properties ofsilver-plated filament

為了分析使鍍銀纖維長絲外觀色澤變化的原因，選樣對鍍銀纖維長絲進行了EDS測試，結果見圖8。從EDS圖可以知道，被氧化的鍍銀纖維長絲相比較未被氧化的鍍銀纖維長絲還含有大量的S元素，這是由于鍍銀纖維長絲靜置于空氣中與空氣中的H2S化合生成黑色Ag2S的緣故。其化學反應方程式為:

圖8 氧化前后鍍銀纖維長絲EDS元素分析結果Fig.8 The EDS analysis results ofsilver-plated filament before and after oxidation

隨著氧化時間的增加，該反應加劇，硫化銀增多增厚，鍍銀纖維長絲表面顏色便逐步由白變黃變灰最后變黑。Ag2S只具有半導體的性質，其導電性遠遠無法與銀相比，所以鍍銀層被氧化后其接觸電阻也就會大幅度增大。

影響鍍銀纖維長絲導電性能的不僅是其表面的銀容易被氧化，而且在穿著及使用含有鍍銀纖維長絲類織物的過程中由于摩擦而引起鍍銀纖維長絲表面銀含量損失。摩擦是影響含有鍍銀纖維長絲織物功能性的最主要的因素之一，織物的垂直電阻、表面電阻、半衰期、電磁屏蔽效能等會隨著摩擦次數的增加而呈現不同趨勢的增大[6]。本文對此也進行了研究，結果如圖9所示。

圖9 摩擦與鍍銀纖維長絲導電性能的關系Fig.9 Effect of friction on the conductive properties ofsilver-plated filament

由圖9可見，隨著鍍銀纖維長絲摩擦次數的增加，其電阻也不斷地增大。對摩擦后的鍍銀纖維長絲利用SEM進行觀察。如圖10所示，可以看到，摩擦使鍍銀纖維長絲表面的銀層剝落，嚴重的摩擦會使鍍銀纖維長絲中的單紗斷裂，從而使電流流經鍍銀纖維長絲表面的通道受損，影響其導電性能。

圖10 鍍銀纖維長絲摩擦后的SEM照Fig.10 The SEM photograph ofsilver-plated filament after friction

3 結論

1)鍍銀纖維長絲的導電性能隨著溫度的增大而增強，且變化隨著溫度的升高逐漸減緩;濕度對鍍銀纖維長絲導電性能的影響是呈線性下降的。

2)加捻使得鍍銀纖維長絲單位長度的電阻增大，導電性能變差，當捻度到200捻/10cm時，鍍銀纖維長絲表面的銀層開始斷裂，使其單位電阻急劇增大，導電性能變差;而并股則使得鍍銀纖維長絲的導電性能呈倒數函數降低，隨著并股數目的增多，單位長度鍍銀纖維長絲的電阻降低趨勢逐步減弱。

3)氧化與摩擦都是導致鍍銀纖維長絲導電性能變差的原因，從研究可以看到，鍍銀纖維長絲僅僅在4周的時間內就可以使其導電性能降低約1倍。對鍍銀纖維長絲進行摩擦，其表面的銀層在摩擦1 000次后會明顯的脫落，導致鍍銀纖維長絲的導電性能變差。

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[6]VARNAITS KATUNSKIS J. Influence of abrasion on electrostatic charge decay of woven fabrics with conductive yarns[J].Materials Science，2009，15(2):160-166.