金屬特性纖維及其在紡織上的應用研究

張小娜，李衛斌，趙曉明

(天津工業大學紡織學部,天津 300387)

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金屬特性纖維及其在紡織上的應用研究

張小娜，李衛斌，趙曉明

(天津工業大學紡織學部,天津 300387)

摘要：將金屬特性纖維進行分類，系統分析了金屬纖維、金屬化纖維、導電高分子纖維、有機導電纖維和碳纖維的制備、性能及其在紡織品上的應用，最后展望了其發展方向。

關鍵詞：金屬特性纖維制備方法性能應用

金屬特性纖維是一種兼具金屬和纖維特性的高性能纖維，可以賦予紡織品金屬的導電或導磁特性，其在紡織品上的應用日益廣泛。近年來，隨著金屬纖維加工技術、纖維表面金屬化技術、導電高分子材料等的迅速發展，具有金屬特性的纖維在構筑柔性金屬特性材料方面起到了關鍵作用，在不同領域都受到廣泛關注。金屬特性的纖維，相比于傳統紡織纖維，具有金屬特性，不僅賦予傳統紡織品如金屬般的導電、導磁、抗菌等性能，也同時保持了紡織品的柔軟特性。其具有紡織纖維特有的輕質柔軟性和撓曲性，在柔性輕質金屬材料的替代應用方面極具優勢。本文介紹了金屬特性纖維的種類、特點及制備方法，綜述了其在紡織品上的應用，最后展望了其發展方向。

1金屬特性纖維的種類、特點及制備方法

金屬特性纖維是指具有金屬特性的纖維。一是具有金屬特性。即纖維具有和金屬相似的電磁性能，例如導電性、導磁性等[1]；二是具有纖維特性。即纖維具有較大長徑比、良好的撓曲取性、可紡性等[2]。

根據其制備方式和提供金屬特性的原理不同，目前主要使用的具有金屬特性的纖維可以分為：金屬纖維、金屬化纖維、導電高分子纖維、基于紡絲加工的金屬特性纖維。

1.1金屬纖維

金屬纖維指采用金屬絲材經特殊工藝制成的纖維[3]，具備和其對應金屬基本類似的性能，具有良好的導電性能和力學性能，斷裂比強度和拉伸比模量較高，能耐高溫和化學腐蝕[4]。

根據制備方法，可分為：熔抽法，拉拔法以及切削法[5，6]。

表1　金屬纖維制造方法

根據材質可分為：銀纖維、鎳纖維、銅纖維、不銹鋼纖維和鐵纖維等。這些纖維導電和導熱性能優良，且耐腐蝕和耐磨，但銀纖維和銅纖維易氧化[7-10]。

金屬纖維可用于電磁屏蔽紡織品、防靜電服、抗菌紡織產品、軍用偽裝網、防雷達遮障布、增強復合材料、過濾材料等，應用較為廣泛。

1.2金屬化纖維

1.2.1種類及性能特點

金屬化纖維是在基質上通過不同方法在纖維表層形成一層金屬膜的纖維。常用基質有碳纖維、玻璃纖維和合成纖維如滌綸、錦綸等；鍍覆的金屬有銀、銅、合金等；主要使用化學鍍、電鍍、磁控濺射、涂層等方法[11]。

1.2.2制備方法

鍍覆的方法：化學鍍、電鍍、磁控濺射、涂層等。

化學鍍法其設備簡單，控制操作較容易。目前，化學鍍纖維的主要是對碳纖維、玻璃纖維和合成纖維等進行鍍銀、銅、鎳和合金等。制備出的纖維導電性優良，強度高，并且耐腐蝕和化學穩定性良好[12]。鍍層與纖維結合牢度好且致密均勻，其對纖維本身結構影響較小，且成本較低[13，14]。

電鍍法對設備要求較低、操作方便，具有可以連續生產、成本低等特點。利用電鍍法對碳纖維鍍鎳，制備出的纖維的導電性得到提升，電阻率下降，鍍層均勻分布，且與纖維結合牢固[12,13]。與化學鍍鎳方法得到是鎳磷合金不同，電鍍法得到的鍍層為純凈的鎳單質，且鍍層與纖維結合強度較好[14]。用電鍍法在碳纖維的表面鍍銅，鍍層致密均勻，且與纖維結合牢固[15]。將石墨纖維氧化后進行電鍍銅處理，得到的鍍銅石墨纖維力學性能優良，鍍層均勻連續，導電率和導熱率較高[16]。

化學鍍與電鍍各有優缺點。比如碳纖維鍍銅，電鍍時會有通過碳纖維的電流不均勻導致鍍層不均勻的現象發生。化學鍍較電鍍分散性好，且與纖維結合牢度好，但是化學鍍速度較慢[17]。

電鍍和化學鍍是纖維表面金屬化比較常用的方法，還可以采用濺射方法、離子鍍膜方法和金屬涂覆方法等物理的方法，但是這些物理方法使用的設備昂貴，且控制條件復雜，不利于產業化發展[15]。

1.3本征導電高分子

本征型導電高分子材料是高分子材料本身或經過摻雜后具有導電性的材料，經過摻雜之后，電導率可達到金屬的導電水平[18]。包括聚苯胺(PANI)、聚噻吩(PTh)、聚吡咯(PPy)等。此類材料具有質量輕、環境穩定性及導電性好等優點。但其難溶于有機或無機溶液[19]。若制備紡絲溶液，只能將其溶于濃硫酸或N-甲基吡咯烷酮等腐蝕性較強或價格較昂貴的溶劑中[20]。制得的纖維強度低、脆性大、易碎，使用時耐磨損性能較差[21]。

所以，將本征導電高分子，如PANI、PTh、PPy等經各種加工方法使其吸附在纖維表面，或是將其與成纖高聚物混合后制得復合導電高分子纖維，是改善上述缺點的主要方法。制備方法包括現場吸附聚合法、共混紡絲法、熔融紡絲法、靜電紡絲等。

制取復合導電高分子纖維的方法中現場吸附聚合法較為簡單，可操作性較強。用此法把本征導電高分子材料吸附于基質的表面，得到的導電纖維既有基質纖維的特性，又具有良好的導電性[22]。如PVA/PANI導電復合纖維導電性好，且表層附著的PANI對纖維結構影響較小，所以纖維的強力基本沒有下降[23]。將PPy原位聚合于羊毛纖維可以得到導電性能和服用性能均良好的纖維，并且改善了羊毛的熱性能[24]。

共混紡絲法將導電高分子材料與成纖共聚物混合后紡絲，進而制得復合型導電高分子纖維。如在濃硫酸中通過共混法制得的聚苯胺/聚酰胺-11纖維具有較高的導電性能，且纖維的電導率隨著聚苯胺含量的增加而提高[25]。

靜電紡絲方法得到的纖維比表面積極大，且導電率比較高。如將聚吡咯與腈氯綸混合后用靜電紡絲技術制得的纖維結構均勻，熱穩定性較好，電導率提高[26]。

1.4基于紡絲加工的金屬特性纖維

基于紡絲加工的金屬特性纖維包含有機導電纖維和碳纖維。

1.4.1有機導電纖維

有機導電纖維是將炭黑、金屬氧化物等可導電物質與一般的高聚物通過共混或復合紡絲方法制得的[27]。這種纖維不僅具有良好的電磁性能，而且易于與其他纖維抱合，耐摩擦和耐腐蝕性能良好[28]。如炭黑/聚氨酯共混導電纖維的導電性和耐水洗性優良，但炭黑型有機導電纖維的顏色多為灰黑色，限制了其在紡織產品中的使用[29]。將TiO2與聚酰胺纖維混合造粒，經熔融紡絲制成的有機導電纖維具有良好的導電性能，導電粒子不易脫落，耐磨性和耐彎折性能較好[30]。

1.4.2碳纖維

碳纖維是碳元素的含量占90%以上的纖維。碳纖維質地較柔軟，可加工性高，在紡織品領域應用廣泛[31]。

碳纖維屬于輕質、高強、高模、耐高溫的高性能纖維，其導電性良好，防輻射性能、耐化學腐蝕和耐磨性能優良，熱膨脹系數較小。缺點是碳纖維缺乏韌性，耐彎折性能較差，價格較高，在日光下容易老化[32]。

2在紡織品中的應用

2.1在電磁屏蔽織物中的應用

比較常見制備電磁屏蔽紡織品的方式是將金屬纖維或金屬化纖維與普通纖維進行混紡、交織、并線等[33，34]。此類紡織具有質地柔軟，吸濕透氣性好和耐洗滌等優良的服用性能[35]。如K. B. Cheng等人使用不同比例混紡成的不銹鋼纖維/滌綸纖維紗線織成的織物進行測試，發現頻率范圍在300kHz～3GHz時，屏蔽效能達20dB～40dB，電磁屏蔽效果良好[36]。Das A等人通過研究發現純不銹鋼纖維制成的織物要比不銹鋼纖維/滌綸混紡紗線制成的織物屏蔽效能好[37]。

導電高分子纖維在防護織紡織品中應用也較多。左桂蘭等制備的PANI納米纖維在頻率為8.2GHz～12.4GHz時，電磁屏蔽效果為19.6dB～33.8 dB。Erdogˇan M K等制備的PTh/PET纖維，在0～100MHz頻率范圍內，屏蔽效能可達21dB23。

碳纖維電阻率在1×10-4Ω·m～1×10-5Ω·m之間，主要通過反射作用屏蔽電磁波。在碳纖維表面形成一層導電膜，如通過鍍金屬和沉積石墨碳粒等方法對其進行處理，可以提高其電磁屏蔽效能[38]。

2.2在抗菌紡織品上的應用

抗菌指利用化學或者物理方法消滅細菌或者阻止細菌生長繁殖的過程[39]。

銀系纖維具有良好的光譜抗菌性，而且不易產生抗藥性[40]。林玲等人研究發現銀纖維對金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌的殺滅作用強烈，能使細菌分解[41]。導電高分子材料中聚苯胺也具備抗菌性能。將聚苯胺利用原位復合法沉積到棉纖維表面，織成的織物能減少95%的革蘭氏陽性細菌和85%的革蘭氏陰性細菌，而且還具備良好的抗真菌性[42]。

2.3在智能紡織品上的應用

柔韌性較好的具有金屬特性的纖維應用于導電織物具有輕便易攜帶、服用性能好、導電性能優良等優點。近年來，導電織物在織物電極、可穿戴天線、織物鍵盤等方面的應用也成為了研究熱點。

2.3.1織物電極

織物電極代替傳統粘性電極在心電監測系統等方面的應用具有明顯優點，如織物電極對皮膚刺激性較小，其質輕、柔軟、彈性好、穿著舒適[43]。鄒海清在某公開專利中闡述了一種織物電極，其為分層結構，包含層疊的導電織物層和打底織物層。導電織物層是由鍍銀滌綸纖維和普通纖維混紡而成的紗線織成的織物，這種織物電極導電性能和舒適性較好，且銀纖維具有抑菌作用[44]。另外，也可直接在織物表面聚合吡咯，其織物電極既具備織物舒適、柔軟的特點，也具備聚吡咯高導電、質輕的優點[45]。

2.3.2導電天線

可穿戴天線是一種可植入于衣物內的電子設備，多用柔性材料或紡織材料制作而成，其不僅有柔軟、舒適、透氣等優點，而且還便攜、易共性，在保健醫療領域、軍事領域、消防領域等有著廣泛的應用[46，47]。如Ivo Locher等人研究了鍍鎳織物、鍍銀纖維織成的針織物、鍍銀銅鎳纖維織成的機織物三種織物制成的可穿戴天線的貼片部分，發現鍍銀銅鎳纖維織成的機織物最適合應用于織物天線，因其能持續導電，表面電阻率符合要求，且彎曲時電阻大小相同[48]。俞夢杰等人采用鍍銅鎳的聚酯纖維布作為可穿戴天線的輻射貼片，其有良好的柔軟性能和耐磨性能[49]。英國研究出一種用納米銀涂層的聚酰胺紗制造的織物天線，其靈活輕便，防水舒適[50]。可穿戴天線可集成于衣物上，具有一定的隱蔽性，同時天線對人體輻射較小，將是今后研究熱點。

2.3.3織物鍵盤

織物鍵盤是基于織物的輸入設備，具備了織物的柔軟、可彎折、洗滌方便等優點，又具備噪聲較小、方便靈活等優點[51，52]。

織物鍵盤核心部分是導電織物層，這部分表面電阻的均勻性和一致性的要求較高，一般采用金屬纖維或金屬化纖維[53]。如美國的研究員研制了一種織物鍵盤是將不銹鋼纖維以刺繡的方式在織物上繡出電路制成的[51]。用不銹鋼纖維與普通紗線制織成不同組織的織物作為織物鍵盤的導電層，導電性能良好，二重組織較平紋組織導通率好[54]。用導電高分子纖維織造的織物鍵盤輕質，可以用于智能手機[52]。

2.4在抗靜電織物中的應用

靜電不僅會給人身體帶來不適，還會給工業生產帶來安全災害[55]。具有金屬特性的纖維的導電性能較好，可以減少織物上的靜電荷量，防止靜電荷局部積聚，具有良好抗靜電性能[56]。

金屬纖維，如不銹鋼纖維在混紡織物中含量為0.5%～5%時就具備良好的抗靜電性能，且隨著含量的增加，抗靜電性能提高[57]。金屬化纖維，如鍍銀纖維，其在織物中含量為0.5%時就能達到抗靜電的標準[58，59]。導電高分子纖維，如聚苯胺/滌綸導電纖維、聚苯胺/聚丙烯腈纖維的電阻較滌綸、聚丙烯腈明顯降低，抗靜電效果顯著[60，61]。有機導電纖維，其導電成分沿纖維軸向分布，能減少電荷積聚，易于電荷的消散[58]。利用具有金屬特性的纖維來改善紡織品的抗靜電效果將是未來抗靜電技術發展的熱點。

3結語

綜上所述，具有金屬特性的纖維品種日益豐富、性能逐漸優化、制備技術日漸成熟，這將使其在紡織領域和金屬材料領域的應用更加廣泛。

金屬纖維導電性優良，但是與普通纖維對比，其抱合力較小，可紡性能較差，長絲無延伸性，直接織造困難；金屬化纖維織造容易，導電性不如金屬纖維，且表面附著的金屬層容易磨損；導電高分子纖維剛性大、有顏色，但尚未產業化。通過紡絲獲得的有機導電纖維，易于混紡、交織，但導電或磁性較純金屬纖維或金屬化纖維差；碳纖維導電性良好，但其耐彎折性能較差、價格昂貴，且顏色單一，限制了其在紡織品中的使用。

目前，這些纖維在電磁屏蔽、抗菌、導電織物等方面獲得了廣泛研究和應用，但是，其制備工藝較為復雜、價格相對較高，部分纖維在織物制備等方面還存在不足，還需要繼續探討和研究。

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中圖分類號：TS114

文獻標識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)01-0136-05

通訊作者：趙曉明( 1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生導師。

基金項目：國家自然科學基金項目(51206122)。

收稿日期：2015-10-27

第一作者：張小娜(1988-)，女，碩士研究生，研究方向：電磁防護紡織品。