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1、导电纤维开发和应用导电 纤 维 的的 开开 发 与与 应 用用n导电纤维的概况的概况n导电原理原理n导电性的表征性的表征n导电纤维的生的生产和用途和用途导 电 纤 维 的的 概概 况况n概述1.1.高分子材料由于其价格低廉、种高分子材料由于其价格低廉、种类类多、加工容易而广泛使用。但高分多、加工容易而广泛使用。但高分子材料一般子材料一般为电为电的的绝缘绝缘体，由于摩擦与感体，由于摩擦与感应应很容易在材料表面很容易在材料表面积积聚大聚大量的静量的静电电荷其荷其电压电压可高达几千伏。可高达几千伏。2.2.为为了使高分子材料具有一定的抗静了使高分子材料具有一定的抗静电电性能，一般可以使用抗静性能，一
2、般可以使用抗静电剂电剂或或填充填充导电导电材料来材料来获获得。后者由于具有得。后者由于具有长长效、普适、抗静效、普适、抗静电电性可控等性可控等优优点而点而获获得广泛地得广泛地应应用。用。3.3.常用的常用的导电导电性填料一般有：金属粉末、碳黑、石墨、碳性填料一般有：金属粉末、碳黑、石墨、碳纤维纤维、金属氧、金属氧化物以及近年来化物以及近年来发发展起来的新型碳材料，如：碳展起来的新型碳材料，如：碳纳纳米管米管(CNT)(CNT)、气相生、气相生长长碳碳纤维纤维(VGCF)(VGCF)等。当等。当导电导电材料在填充体系中的含量达到材料在填充体系中的含量达到临临界点界点时时，导电导电粒子在基体中形成
3、粒子在基体中形成导电导电通道，通道，发发生从生从绝缘绝缘体到半体到半导导体的体的转变转变，从，从而使材料的而使材料的电电阻急阻急剧剧下降。下降。导 电 纤 维 的的 概概 况况n n抗静电技术的发展过程n n第一第一阶阶段：采用吸湿性抗静段：采用吸湿性抗静电剂对纤维电剂对纤维或或织织物物进进行表面行表面处处理，或通理，或通过过本征型静本征型静电电逸散聚合物逸散聚合物( (IDP)IDP)与普通聚合物共与普通聚合物共混或共聚而得到抗静混或共聚而得到抗静电纤维电纤维。这这两种抗静两种抗静电纤维电纤维都是基于都是基于吸湿放吸湿放电电原理来降低原理来降低纺织纺织品的比品的比电电阻，加快阻，加快电电荷逸
4、散，其荷逸散，其制成品的表面制成品的表面电电阻阻 s s一般在一般在10109 9 10 101212。缺点：缺点：1. 1.对环对环境相境相对对湿度依湿度依赖赖性性较较大，当大，当环环境相境相对对湿度湿度 40% 40% 时时，抗静抗静电电性急性急剧剧下降。下降。2. 2.耐久性差：耐久性差：纤维纤维中抗静中抗静电组电组分有向分有向纤维纤维表面的富集表面的富集趋势趋势，使其耐久性和手感使其耐久性和手感较较差。差。导导 电电 纤纤 维维 的的的的 概概概概 况况况况n抗静电技术的发展过程n n第二第二阶阶段：金属段：金属纤维纤维和和导电导电物物质质表面涂敷。表面涂敷。1.1.金属金属导电纤维导
5、电纤维：首先由美国的：首先由美国的BekaertBekaert公司在上世公司在上世纪纪6060年代生年代生产产的。金的。金属属纤维纤维具有具有导电导电性好、耐性好、耐热热、耐化学的、耐化学的优优点，但点，但弹弹性差、伸性差、伸长长小、粗小、粗硬挺直、表面粗糙，在制成硬挺直、表面粗糙，在制成细细旦旦纤维时纤维时，成本，成本较较高，与普通合成高，与普通合成纤维纤维混混纺时纺时抱合性差。抱合性差。2.2.导电导电物物质质表面涂敷表面涂敷纤维纤维：这这种种纤维纤维的代表是上个世的代表是上个世纪纪6060年代末由德国年代末由德国BASFBASF公司率先开公司率先开发发出的碳黑型表面涂敷出的碳黑型表面涂敷
6、导电纤维导电纤维。可以通。可以通过过物理、化物理、化学等途径，在学等途径，在纤维纤维表面涂敷和固着金属、碳、表面涂敷和固着金属、碳、导电导电高分子等高分子等导电导电物物质质。这这种种纤维纤维的的导电导电成分都分布在成分都分布在纤维纤维表面，抗静表面，抗静电电效果效果较较好，但在使用好，但在使用过过程中，程中，导电导电物物质质容易脱落，使容易脱落，使导电导电性性丧丧失。失。导 电 纤 维 的的 概概 况况n n抗静电技术的发展过程第三第三阶阶段：复合段：复合导电纤维导电纤维。n n复合复合导电纤维导电纤维是是19741974年由美国杜邦公司率先开年由美国杜邦公司率先开发发出的以含出的以含导导电电
7、碳黑的碳黑的PEPE为为芯、芯、PA-66PA-66为为皮的复合型皮的复合型导电纤维导电纤维Antron3Antron3。此。此后，世界各大化后，世界各大化纤纤公司公司纷纷纷纷开始含碳或其它开始含碳或其它导电导电物物质质的复合的复合型型导电纤维导电纤维的研究开的研究开发发。如：美国首。如：美国首诺诺，日本的，日本的钟纺钟纺、东丽东丽、可可乐丽乐丽、帝人等公司，分、帝人等公司，分别别使用不同的使用不同的导电导电物物质质、采用不同、采用不同的工的工艺艺技技术术路路线线，研制开，研制开发发出各种不同截面形式的复合出各种不同截面形式的复合导电导电长丝长丝和短和短纤维纤维。导 电 纤 维 的的 概概 况
8、况n n国内外发展现状1.1.目前，国外的研究开目前，国外的研究开发发主要集中在各种主要集中在各种导电导电物物质质与各种成与各种成纤纤高聚物通高聚物通过过复合复合纺丝纺丝技技术术制制备备复合复合导电纤维这导电纤维这一一领领域。域。在在导电导电物物质质中，碳黑由于其卓越的性价比、中，碳黑由于其卓越的性价比、纤维纤维的的导电导电性性在一定范在一定范围围内可内可调调而尤其受到青而尤其受到青睐睐。2.2.国内在上世国内在上世纪纪九十年代开始九十年代开始导电纤维导电纤维的研究开的研究开发发工作。目工作。目前，江前，江苏苏、山、山东东、广、广东东、北京等地的科研和生、北京等地的科研和生产产机构均有机构均有
9、少量少量产产品品进进入市入市场场。3.3.现阶现阶段，国内复合段，国内复合导电纤维导电纤维与国外同与国外同类产类产品相比，主要存品相比，主要存在表面在表面电电阻相阻相对较对较高、高、导电导电性能和性能和纤维纤维力学性能力学性能还还不是很不是很稳稳定的缺陷。定的缺陷。导 电 纤 维 的的 导 电 原原 理理n n导电导电填料填料导电导电填料填料体体积电积电阻阻( (cmcm) )优优点点缺缺点点金属金属盐盐1010-2-2浅色浅色填充量大填充量大碳碳黑黑1010-2-2高性价比，用途广泛，重量高性价比，用途广泛，重量轻轻，耐腐，耐腐蚀蚀，导电导电性可性可调调颜颜色深，不适于色深，不适于洁净洁净场
10、场所所石石墨墨1010-4-4对对体系流体系流变变性能影响小性能影响小颜颜色深色深碳碳纤维纤维1010-3-3强强度高度高弯曲模量低弯曲模量低碳碳纳纳米管米管1010-6-6增增强强、导热导热价格昂价格昂贵贵金属粉末金属粉末1010-6-6导电导电性能好性能好易氧化，不耐腐易氧化，不耐腐蚀蚀，比重大比重大IDPIDP1010-4-4导电导电性好性好加工困加工困难难，化学性，化学性质质不不稳稳定，定，环环保和健康保和健康导 电 纤 维 的的 导 电 原原 理理n n导电原理导电导电填料填料浓浓度与聚合物表面度与聚合物表面电电阻阻间间的关系的关系导 电 纤 维 的的 导 电 原原 理理n n导电原
11、理不同不同结结构度构度导电导电碳黑的聚集碳黑的聚集结结构示意构示意图图导 电 纤 维 的的 导 电 原原 理理n nCB-g-X的形貌特征碳黑在溶液体系中，在不同的条件下，仍能保持其独特的链状导电结构导 电 纤 维 的的 导 电 原原 理理n n导电导电原理原理不同不同结结构度的碳黑构度的碳黑对对聚合物体聚合物体积电积电阻的影响阻的影响导 电 纤 维 导 电 性性 的的 表表 征征n导电纤维的定义导电纤维一般是指在恒温、恒湿的条件下，纤维的体积电阻小于108 cm的纤维。导 电 纤 维 导 电 性性 的的 表表 征征n n导电导电性的表征性的表征高分子材料的高分子材料的电电阻与几何形状有关，其
12、固有阻与几何形状有关，其固有电电阻特性可阻特性可用体用体积电积电阻来表示：阻来表示：式中：式中：A A 纤维纤维材料的横截面材料的横截面积积，L L 纤维纤维材料上两个材料上两个测测定定电电极极间间的距离的距离R R 纤维纤维材料上两个材料上两个测测定定电电极极间间的的电电阻阻体体积电积电阻的阻的单单位是位是cmcm ，表示，表示单单位面位面积积材料的材料的单单位位长长度度上的上的电电阻。阻。导 电 纤 维 导 电 性性 的的 表表 征征n n导电导电性的表征性的表征在某些情况下，在某些情况下，纤维纤维材料的材料的导电导电是在其表面是在其表面进进行的，而不是行的，而不是通通过过其体其体积积来来
13、实现实现的，的，这时这时其固有其固有电电阻特性阻特性应为应为表面表面电电阻：阻：式中：式中：WW式式样样的的宽宽度或度或圆圆柱体的周柱体的周长长，LL纤维纤维材料上两个材料上两个测测定定电电极极间间的距离的距离RR纤维纤维材料上两个材料上两个测测定定电电极极间间的的电电阻阻表面表面电电阻的阻的单单位位为为m/mm/m，简简化写成化写成。表面。表面电电阻等于阻等于单单位位宽宽度材料的度材料的单单位位长长度上的度上的电电阻。阻。为为避免和普通避免和普通电电阻阻单单位混淆，位混淆，国国际际上上S S经经常用常用单单位正方形面位正方形面积积的欧姆的欧姆值值来表示，即来表示，即/sq/sq。导 电 纤
14、维 导 电 性性 的的 表表 征征n n导电导电性的表征性的表征在商在商业业上，常用上，常用单单位位长长度上度上纤维纤维的的电电阻来表示阻来表示纤维纤维的的导电导电性：性：式中：式中：LL为纤维为纤维材料上两个材料上两个测测定定电电极极间间的距离的距离RR为纤维为纤维材料上两个材料上两个测测定定电电极极间间的的电电阻阻也可将其称也可将其称为为抗抗电电性能，其性能，其单单位位为为/cm/cm。导 电 纤 维 的的 生生 产 和和 用用 途途n导电纤维的生产导电纤维的生产可分为表面涂覆法，纺丝法。1.1.表面涂覆法：在作表面涂覆法：在作为为基体的基体的纤维纤维表面涂覆上碳、表面涂覆上碳、银银等等导
15、电导电材料。由于材料。由于导电导电物物质质直接涂覆在直接涂覆在纤维纤维表表面，其抗静面，其抗静电电效果效果较较好，但在使用好，但在使用过过程中，程中，导电导电物物质质容易脱落，使容易脱落，使导电导电性性丧丧失。失。2.2.纺丝纺丝法：法：纺丝纺丝法法为为共混共混纺丝纺丝、直接、直接纺丝纺丝和复合和复合纺纺丝丝，目前生，目前生产产品种最多、用途最广的品种最多、用途最广的导电纤维导电纤维就就是通是通过过复合复合纺丝纺丝法生法生产产的。的。导 电 纤 维 的的 生生 产 和和 用用 途途n n复合导电纤维纺丝工艺流程碳黑碳黑预处预处理理造粒造粒干燥干燥螺杆螺杆挤压挤压机机纺纺丝丝箱箱计计量量泵泵成成
16、纤纤高聚物高聚物干燥干燥螺杆螺杆挤压挤压机机纺丝纺丝箱箱计计量量泵泵纺丝组纺丝组件件侧侧吹吹风风冷却冷却上油上油牵牵伸伸定型定型卷卷绕绕检验检验分分级级包装包装成品成品纤维纤维导 电 纤 维 的的 生生 产 和和 用用 途途n n复合导电纤维截面导 电 纤 维 的的 生生 产 和和 用用 途途n n复合复合导电纤维导电纤维截面截面导 电 纤 维 的的 生生 产 和和 用用 途途n n复合导电纤维截面导 电 纤 维 的的 生生 产 和和 用用 途途n n复合复合导电纤维导电纤维截面截面碳黑碳黑碳黑碳黑/ / / /聚合物聚合物聚合物聚合物聚合物聚合物聚合物聚合物导 电 纤 维 的的 生生 产 和
17、和 用用 途途n n复合复合导电纤维导电纤维截面截面碳黑碳黑碳黑碳黑/ / / /聚合物聚合物聚合物聚合物聚合物聚合物聚合物聚合物导 电 纤 维 的的 生生 产 和和 用用 途途n n复合导电纤维的用途随着高科技的随着高科技的发发展，静展，静电电危害所造成的后果已不危害所造成的后果已不仅仅仅仅限限于安全于安全问题问题。静。静电电放放电电造成的造成的频谱频谱干干扰扰，是在，是在电电子、通信、子、通信、航空、航天以及一切航空、航天以及一切应应用用现现代代电电子子设备设备、仪仪器的器的场场合合导导致致设设备备运运转转故障、信号故障、信号丢丢失、失、误码误码等的直接原因之一。在石油、等的直接原因之一。在石油、化工、精密机械、煤化工、精密机械、煤矿矿、食品、医、食品、医药药等行等行业业均均对对静静电电的防的防护护有特殊的要求。有特殊的要求。由于复合由于复合导电纤维导电纤维具有具有导电导电性能性能优优越、耐洗越、耐洗涤涤、耐摩擦、耐摩擦、使用使用时间长时间长久等特点，因此非常适用于久等特点，因此非常适用于纺织纺织品、通信工程、品、通信工程、电电子、信息、汽子、信息、汽车车制造、运制造、运动动器材、医器材、医疗疗器械、航空航天、器械、航空航天、制制药药、化工、石油等各个、化工、石油等各个领领域。域。谢谢！
