導電紡織品的研究現狀及展望

翟婭茹 沈蘭萍

(西安工程大學，陜西西安，710048)

通常情況下，紡織品在加工生產過程中會因摩擦產生靜電，這種現象在合成纖維中表現尤其明顯。合成纖維由于其疏水性表面容易積聚靜電荷，過多的靜電荷會引起灰塵附著、服裝糾纏肢體產生黏附感等現象。過高的靜電壓甚至會對人體產生危害，引起電器著火和火災。因此，研究開發導電紡織品已成為關系到國計民生的問題。

1 導電纖維材料的分類

導電纖維出現在20世紀60年代[1]。隨著科學技術的進步，研究者們對導電纖維逐步進行深層次的探索，開發出了不同類型的導電纖維，并且隨著加工工藝的不斷進步，越來越多的導電纖維被應用于紡織品上，導電紡織品自然而然也就產生了。

導電纖維通常是指在標況下(20 ℃,65%RH)，比電阻小于1×107Ω·cm的纖維。目前，用于紡織品上的導電纖維有金屬導電纖維、碳系導電纖維和有機導電纖維三類。

1.1 金屬導電纖維

利用金屬材料的優良導電性，將金屬材料經過某一特定方法加工而成的用于紡織生產上的纖維稱為金屬導電纖維[2]。其加工方法主要有直接拉絲法和金屬噴涂法。出現最早的金屬纖維是美國Brunswick公司生產的不銹鋼纖維Brunsmet，它是通過直接拉絲法制成的，即不銹鋼絲反復穿過模具拉伸細化則產生不銹鋼纖維[3]。銅纖維和鋁纖維也是這樣生產的。金屬纖維具有良好的耐化學腐蝕性和柔軟性，導電性良好，但可紡性較差，所以一般與其他纖維混紡，不單獨制成織物用于生產。金屬噴涂法是將普通纖維先進行表面處理，通過真空噴涂或化學電涂的方法使金屬沉降在處理過的纖維表面，而使普通纖維表現出類似金屬纖維一樣良好導電性的方法[4]。這種方法制得的金屬導電纖維牢度過低,所以通常情況下不用于民用纖維的生產。

1.2 碳素導電纖維

碳纖維最早出現在1959年。當時，日本人將聚丙烯腈(PAD)纖維經高溫炭化處理后得到了一種新纖維——碳，自此碳纖維誕生了[5]。碳纖維及其織物是電阻的負溫度系數導體，碳纖維的電阻傳感靈敏度高于不銹鋼纖維,但其織物的靈敏性卻低于不銹鋼纖維織物。碳纖維導電成分均一、強度高、潤滑性和耐熱性好、生產成本低，但它的顏色較深、分散能力較差，所以應用領域比較狹窄，適合在復合材料中使用。

1.3 有機導電纖維

有機導電纖維制備方法不同，種類也不同，目前有導電聚合物纖維、普通合成纖維涂覆導電纖維、復合或共混導電纖維三類。

1.3.1 導電聚合物纖維

導電聚合物纖維是由導電高分子通過直接紡絲方法得到的有機導電纖維。常見的導電高分子物質有聚吡咯、聚乙炔、聚苯胺等。導電聚合物纖維由于以下三個原因目前不用于紡織加工生產：第一，主鏈中的共軛結構使纖維大分子鏈僵直、難溶，紡絲較難；第二，某些單體有毒甚至可能是致癌物質；第三，生產加工工藝過于復雜導致成本較高，所以較難應用。

1.3.2 普通合成纖維涂覆導電纖維

20世紀60年代末期，普通合成纖維表面涂覆炭黑的有機導電纖維出現了。漸漸地，許多以普通合成纖維為基體，通過特定方法(物理、化學、機械等)將金屬、碳、導電高分子物質等涂覆在纖維表面上的有機導電纖維也被研究開發出來。但是這種導電纖維存在一定缺陷，其導電成分只是附著在纖維表面，多次摩擦和洗滌后容易脫落，致使纖維導電性下降，影響正常使用。

1.3.3 復合或共混導電纖維

復合或共混導電纖維是將普通纖維與炭黑或金屬氧化物復合而形成的一種有機導電纖維。與炭黑復合的有機導電纖維導電性持久，但因顏色較深其適用范圍受到限制，一般用于中等抗靜電要求的織物上；與金屬氧化物復合得到的有機導電纖維導電性較差，應用于淺色民用紡織品上。復合型導電纖維的導電成分主要分布在纖維的軸向上，有利于電荷的逸散，具有良好的導電性、耐腐蝕性，線密度和長度適中，綜合性能好，因此廣泛應用于紡織工業生產、服裝和配飾上[6]。

2 紡織品結構與導電之間的關系

2.1 針織結構

針織物是由無數個相同的線圈構成的，導電針織物的電路可以看成由紗線間接觸電阻和無數小段紗線電阻組成的串并聯復雜電路。圖1表示導電針織物單位線圈的電阻等效電路圖。RC代表紗線間接觸電阻，RL代表各小段紗線電阻。

研究線圈紗段的轉移對織物電阻影響時[11]，可以先不考慮紗線間接觸電阻，電路圖等效為圖2。導電針織物的圈柱和圈弧在計算時近似相等，在圖2中都用RLa表示。當織物在橫向受到拉伸應力時，圈柱會向圈弧發生部分轉移，使得圈弧長度增加，圈柱長度相應減小，從而導致圈弧電阻RLa增大，則圈柱電阻RLb相應減小。圈弧由針編弧和沉降弧兩部分組成，本身長度就短，所以引起的紗段轉移變化很小。考慮到針織物電阻是由復雜的串并聯電路形成的，所以電阻變化不會很明顯，即線圈紗段轉移對織物電阻影響不大。

圖2 紗段轉移引起織物電阻變化電路示意圖

2.2 機織結構

機織物是由兩組紗線即經紗和緯紗縱橫交織成的織物，其經紗或緯紗是由若干單絲或復合絲加捻形成。從單純的電路角度來看，導電紗線的電阻可以看做由構成它的若干根導電纖維形成的并聯電路。對于由導電紗形成的織物而言，當每根導電經紗或緯紗的頭部相連，尾部也都相連時，即導電紗線的經紗或緯紗形成并聯方式時，這樣的導電紗形成的織物成為并聯式機織物[13]，其等效電路圖如圖3(a)所示，織物電阻則等效為若干根導電紗線電阻的并聯。

當機織物中第一根導電經紗或緯紗與第二根經紗或緯紗的尾部相連，第二根導電經紗或緯紗的頭部與第三根經紗或緯紗頭部相連，第三根導電經紗或緯紗的尾部與第四根經紗或緯紗的尾部相連時，以此類推，以這樣的方式連接的導電紗形成的織物稱為串聯式機織物，其等效電路圖如圖3(b)所示。所以，若干根導電紗線電阻的串聯即可等效為串聯式機織物的電阻。

機織物在其經向或緯向受到拉伸時，纖維或紗線在其軸向上必然會發生相應應變。我們可從單根導電纖維的電阻應變去分析整個織物的電阻變化情況。

(a)并聯式

(b)串聯式

圖3 導電機織物等效電路圖

與金屬導體電阻定律相一致，單根導電纖維電阻為

(1)

上式中，ρ表示纖維電阻率(Ω·cm),是個常量；l表示纖維長度(cm)，π代表常數3.14；rf代表單根導電纖維的半徑(cm)，微分并積分后變形得單根導電纖維電阻應變公式為

(2)

上式中，ρ0表示拉伸前導電纖維電阻率(Ω·cm)，l0表示拉伸前纖維長度(cm)，rf,0代表拉伸前單根導電纖維的半徑(cm)，應變ε為長度l的物理變化量，K反映了導電纖維電阻對長度拉伸應變的靈敏度，即靈敏系數，與纖維自身材料有關，是定量。當形成導電紗線的若干根纖維都沿纖維軸向發生應變時，每根導電纖維的應變則是相同的。當機織物(并聯式或串聯式)在橫向或縱向發生應變時，該方向上每根導電紗的應變是相同的，由此可見，機織物電阻受織物在經紗或緯紗方向上的應變的影響較大。

3 導電紡織品的應用

3.1 娛樂用導電紡織品

第一件用于通訊娛樂方面的服裝——音樂夾克誕生于20世紀90年代末[14]。它是由斯特勞斯公司和飛利浦研究實驗室聯合研究的由碳纖維與彈性纖維制成的針織物的傳感結構。飛利浦手機和飛利浦MP3播放器都可以由縫制在衣服上的導電碳纖維同步控制。

美國麻省理工學院的Maggie ORTH發明了一種“熒火蟲”裙子，由尼龍絲編織成獨立的兩層(一層提供電源，一層是基層)，里面裝有集成光發射三級管。“螢火蟲”裙子的原理是將帶有鉤環狀的紐扣裝在尼龍網中集成光發射三級管兩端，當兩端紐扣同時接觸電源層和基層的控制面時，整個電路導通致使裙子發光發亮，并且著裝者的走路姿勢可以通過不斷變化的光來矯正。

美國麻省理工學院的研究人員利用不銹鋼纖維在織物上刺繡出不同的電路，從而研究設計出織物軟鍵盤。他們將導電纖維和絕緣纖維紗線交替排列進行編織，研究開發出可用于測壓力的三層織物。金銀線與普通紗線形成的交織物組成織物的上下兩層，中間是起隔離上下兩層織物作用的稀疏的尼龍網。當織物受到外界某一壓力時，上下兩層織物通過結構稀疏的尼龍網的間隙相接觸，從而引起電位的變化。

3.2 可控制熱量的導電紡織品

Malden Mills使用高端技術研究開發了集保暖和舒適于一體的紡織品。他們開發了一種通過專用不銹鋼纖維進行導熱的具有可洗性和柔軟性的羊毛，并且運用該技術生產了一款電熱毯。這款電熱毯加熱均勻，沒有像傳統電熱毯那樣有明顯的電線紋路。 Malden Mills將此技術應用于夾克衫上，從而研究開發出MET5夾克衫，其通過柔性開關控制可充電離子電池的工作與否，從而達到控制衣服內部溫度的效果。其中的導電纖維不僅可以傳遞熱量，還可以傳遞數據，為真正的基于計算機的可穿戴電子設備打開了大門。

德國WarmX公司設計開發出一系列內置發熱系統的內衣產品，該發熱系統由微小型的鍍銀纖維與電池構成，電池是可提供電源的充電式電池，銀涂聚酰胺纖維可以對皮膚直接進行加熱。即使當外界溫度非常低時，織物仍可直接讓皮膚產生熱的感覺，營造一個舒適的溫度。

3.3 醫療保健用紡織品

美國Reebok公司生產的智能運動鞋, 可以將穿著者的路程、消耗的熱量和運動速率準確呈現出來，以后智能運動鞋的研究方向將傾向于測試穿著者的心率，并根據心跳快慢進行選擇性播放音樂，必要時還可以調整音樂的節奏，從而使穿著者來調整步伐的快慢。

比利時實驗室科研人員設計了一種可以用來連續長期監測兒童生理狀況的服裝。此服裝將用不銹鋼編織的傳感器運用于其中，織物傳感器、微型存儲器、數據處理器、報警器和傳輸電路等構成整個服裝系統。織物傳感器用來測定兒童生理狀況的數據并保存至微型處理器中，通過單片機進行分析，獲得兒童的呼吸速率和心電圖。另外還有 Carysse 等人(2004年)將不銹鋼紗線編入彈性帶里面，制成呼吸帶，從而獲得心電圖。

4 展望

導電紡織品的應用前景非常廣闊，目前在智能紡織品上的應用已成為一種趨勢。智能紡織品的出現是人類科學技術進步和社會發展的必然要求，就我國而言，智能紡織品發展起步較晚，與發達國家相比差距較大。相信隨著時間的推移、科技水平的進步以及各學科間的交叉融合，與之相關的導電紡織品的研究和應用也有著更廣闊的市場。