導電腈綸紗的導電性及其織物的電熱性能研究

林思伶 李龍 吳磊 張弦 馬珮珮

（西安工程大學，陜西西安，710048）

腈綸具有強度大、易染色、柔軟、不怕蟲蛀、不熔滴、耐熱等優良性能。導電腈綸不僅可以保留腈綸的優良性能，還具有良好的導電性，可以減少電荷的集聚，消除靜電。導電腈綸制成的柔軟織物可彎曲、縫制、拉伸、熨燙，且仍具有織物的觸感、透氣性和柔韌性，在軍事、紡織、化工等領域具有廣闊的應用前景［1-3］。

柔性電加熱元件是可將電能轉換為熱能的材料，碳基導電材料、金屬導電紗、導電聚合物材料等是目前用于電加熱織物的主要電加熱元件［4-5］。電加熱織物的制備方法有多種，使用較多的有將導電材料通過機織法、針織法等織成電加熱織物，通過涂覆法、原位聚合法等賦予織物導電性使其成為電加熱織物等［6-7］。其中，原位聚合法應用導電聚合物聚苯胺、聚吡咯等，采用化學鍍使紗線表面沉積金屬銀、銅等，制備的導電纖維因工藝簡單、成本低受到越來越多研究者的青睞［8-10］。聚苯胺的質子酸摻雜可使其獲得優良的導電性能，且易合成、穩定性好以及價格低，是導電高分子領域的研究熱點之一［11］；同時其具有還原性，可以還原出銀、金、鈀、銠等離子，是導電復合材料基體的最好選擇之一［12］?；瘜W鍍銀可賦予紗線優異的導電性、電磁屏蔽性能、抗菌性、抗靜電和電熱性能，且對人體無害，是目前柔性電加熱元件的研究熱點之一［13］。

近年來，柔性電加熱紡織品因其加熱溫度可控、可反復加熱已成為未來發展智能紡織品的重點研究方向之一。為了滿足足夠的熱舒適性能，避免加熱不均勻和局部供暖過度的潛在危險，研究其導電性和傳熱均勻性具有重要意義。本研究以腈綸長絲和腈綸短纖紗為基材，用原位聚合法摻雜聚苯胺后化學鍍銀，探討改性后的腈綸長絲和腈綸短纖紗的導電性及其織物的電熱性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

腈綸長絲，線密度16.7 tex。腈綸短纖紗，線密度28.0 tex。

無水乙醇、硝酸銀、氫氧化鈉、苯胺、過硫酸銨、硝酸、酒石酸鉀鈉、氨水和葡萄糖均為分析純。

1.2 導電紗的制備

將腈綸長絲和腈綸短纖紗在水浴80℃、20 g/L的氫氧化鈉處理液中浸漬30 min進行粗化處理，隨后水洗晾干。將粗化后的紗線在含有苯胺單體的硝酸溶液中浸漬30 min后加入一定量的過硫酸銨溶液，均勻攪拌，密封反應2 h后充分水洗晾干，制得聚苯胺改性腈綸紗，過硫酸銨與苯胺的摩爾比為1∶1。將制備的聚苯胺改性腈綸紗浸入一定濃度的硝酸銀溶液中，活化2 h后水洗晾干。配置25 g/L的葡萄糖和2 g/L的酒石酸鉀鈉混合液并煮沸10 min，冷卻后加入無水乙醇制得還原液。將氨水滴入一定量的硝酸銀溶液中至澄清，加20 mL/L的乙二胺，再加入氫氧化鈉使溶液pH值=11，繼續滴加氨水至澄清制得銀氨溶液；將活化好的聚苯胺改性腈綸紗放入銀氨溶液和還原液的混合液中，在水浴40℃下處理2 h，制得聚苯胺鍍銀改性腈綸紗，將其取出水洗并晾干，待測。

1.3 測試與表征方法

1.3.1 表面形貌觀察和化學元素含量測試

采用VHX-5000型超景深三維顯微鏡系統對處理前后的腈綸紗表面形貌進行觀察。采用Quanta-450-EFG型掃描電子顯微鏡觀察處理前后腈綸紗的表面微觀形貌，同時用該儀器配備的X射線能譜儀測定紗線表面化學元素含量。

1.3.2 紗線導電性測試

在溫度（20±2）℃、相對濕度（50±3）%的恒溫恒濕環境下，采用UT39A型數字萬用表對待測紗線進行電阻測試。為了加強樣品測試結果的可靠性，每種樣品測10次，結果取平均值。

1.3.3 織物電熱性能測試

將織物裁剪成30 mm×50 mm的樣品，在溫度（20±2）℃、相對濕度（50±3）%的恒溫恒濕環境下，將DP310型直流穩壓電源兩根導線兩端的夾子與織物兩端連接，通過物理試驗臺施加直流電壓，測試待測樣品的溫度。使用TIX640型熱紅外成像儀觀察不同電壓下導電織物在加熱過程中的溫度變化。

2 結果與分析

2.1 表面形貌和化學元素分析

不同紗線的表面形貌如圖1所示。從圖1的紗線表面形貌圖中可以看出，腈綸短纖紗表面有毛羽、捻度，腈綸長絲表面光潔、無捻度。原位聚合后的聚苯胺改性腈綸紗呈深藍色。經化學鍍銀后的聚苯胺鍍銀改性腈綸紗呈乳白色，聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲顏色均勻，聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗毛羽處有銀粒子聚集。不同紗線的纖維表面掃描電子顯微鏡圖如圖2所示。如圖2所示，化學鍍銀后的腈綸表面被銀層包裹，腈綸長絲鍍銀層分布相對均勻，顆粒緊密且細小。

圖1 不同紗線的表面形貌圖（均為150倍）

圖2 不同紗線的纖維表面掃描電子顯微鏡圖（均為5 000倍）

聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的X射線能譜分析圖如圖3所示，元素含量如表1所示。從圖3中可以看到C、O、Ag三種元素的峰，證明聚苯胺改性腈綸紗表面成功負載了納米銀。

圖3 聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的X射線能譜圖

從表1中的測試數據可以看出，聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲表面銀質量含量多于聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的，進一步說明聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲表面銀粒子的負載量較大，因此其導電性更好。

表1 聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的元素含量單位：%

2.2 紗線的導電性

經不同濃度硝酸銀制備的聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的電阻測試結果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著硝酸銀濃度的增加，聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的電阻不斷降低，降低趨勢逐漸變緩，其中聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲的電阻值均比聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的電阻值低。不同過硫酸銨濃度下紗線電阻的測試結果如圖5所示。由圖5可知，過硫酸銨濃度為0.25 mol/L時，聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的電阻值達到最低，聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲的電阻值為0.60Ω/cm，聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的電阻值為0.81Ω/cm?？梢姡郾桨峰冦y改性腈綸長絲的導電性比聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的好。

圖4 硝酸銀濃度與紗線電阻的關系

圖5 過硫酸銨濃度與紗線電阻的關系

隨機各選取5根長度大于10 cm的聚苯胺鍍銀改性腈綸紗，將其放在絕緣板上，固定兩端，采用UT39A型數字萬用表分別測試其自然狀態下2 cm、4 cm、6 cm、8 cm和10 cm的電阻值，測試10次取平均值。不同過硫酸銨濃度下，聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的長度與電阻值的關系如圖6所示?？梢钥闯?，過硫酸銨濃度在0.10 mol/L和0.40 mol/L時，聚苯胺鍍銀改性腈綸紗電阻值均隨紗線長度增加呈非線性變化，說明聚苯胺鍍銀改性腈綸紗的鍍銀層不均勻。過硫酸銨濃度為0.30 mol/L和0.25 mol/L時，聚苯胺鍍銀改性腈綸紗電阻值隨紗線長度增加呈線性變化，表明過硫酸銨濃度在0.30 mol/L和0.25 mol/L時，聚苯胺鍍銀改性腈綸紗鍍銀涂覆較均勻。其中，過硫酸銨濃度為0.25 mol/L時測得的聚苯胺鍍銀改性腈綸紗電阻值最低，聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲的電阻值更低。

圖6 過硫酸銨濃度與紗線長度和電阻值的測試結果

2.3 織物電熱性能分析

以T/C 65/35 28.0 tex紗為經紗，以聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲、聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗分別為緯紗織造經密350根/10 cm、緯密261根/10 cm的平紋導電織物1和織物2。在溫度（20±2）℃、相對濕度（50±3）%的恒溫恒濕環境下，對織物兩端施加不同電壓，進行熱紅外成像測試。圖7為輸出電壓1.8 V時兩個織物的熱紅外成像圖?？梢钥闯?，導電織物的熱紅外圖像溫度顏色變化從內到外分別是白色、紅色、黃色、綠色和藍色，表示溫度由高到低。隨著電壓的增加，導電織物的表面溫度升高。其中，在1.0 V、1.5 V和1.8 V電壓下，織物1最高溫度分別達到36.6℃、61.0℃和94.6℃，織物2最高溫度分別達到29.0℃、40.0℃和51.1℃。

圖7 輸出電壓為1.8 V時聚苯胺鍍銀改性腈綸織物的熱紅外成像圖

在不同負載電壓下聚苯胺鍍銀改性腈綸織物的溫度隨時間變化情況如圖8所示。

圖8 兩種織物在不同電壓下溫度隨時間變化情況

可以看出，兩種織物的表面溫度隨著負載電壓的增加而升高，溫度在施加電壓50 s內迅速上升。加熱過程中織物1溫度波動小，聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲發熱較均勻。當關閉電源后，織物表面溫度迅速下降。相同電壓下，織物1最大平衡溫度均比織物2的高。電壓在1.0 V時，織物1與織物2表面平衡溫度相差較??；電壓在1.8 V時，織物1與織物2表面平衡溫度相差較大。這是由于織物1中聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲的導電性比織物2的聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的導電性好，織物1通過的電流比織物2的更大，因此產生的熱量更多。

3 結論

（1）以腈綸紗為基底，聚苯胺和納米銀為功能材料，通過原位聚合和化學沉積法，以0.25 mol/L的過硫酸銨、10 g/L的硝酸銀制備的聚苯胺鍍銀改性腈綸導電紗具有良好的導電性。

（2）在相同的制備條件下，聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲的導電性比聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的導電性好，聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲的電阻值為0.60Ω/cm，聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗的電阻值為0.81Ω/cm。

（3）聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲織物的電加熱性能比聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗織物的電加熱性能穩定；在施加電壓相同情況下，聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲織物的表面溫度比聚苯胺鍍銀改性腈綸短纖紗織物的表面溫度高。其中，施加電壓為1.8 V時，聚苯胺鍍銀改性腈綸長絲織物的表面溫度最高可達94.6℃。