导电纤维的开发与应用.ppt

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1、导导 电电 纤纤 维维 的的 开开 发发 与与 应应 用用导导 电电 纤纤 维维 的的 开开 发发 与与 应应 用用n导电纤维的概况导电纤维的概况n导电原理导电原理n导电性的表征导电性的表征n导电纤维的生产和用途导电纤维的生产和用途导导 电电 纤纤 维维 的的 概概 况况n概述1.1.高分子材料由于其价格低廉、种类多、加工容易而广泛使用。但高分高分子材料由于其价格低廉、种类多、加工容易而广泛使用。但高分子材料一般为电的绝缘体，由于摩擦与感应很容易在材料表面积聚大子材料一般为电的绝缘体，由于摩擦与感应很容易在材料表面积聚大量的静电荷其电压可高达几千伏。量的静电荷其电压可高达几千伏。2.2.为了使

2、高分子材料具有一定的抗静电性能，一般可以使用抗静电剂或为了使高分子材料具有一定的抗静电性能，一般可以使用抗静电剂或填充导电材料来获得。后者由于具有长效、普适、抗静电性可控等优填充导电材料来获得。后者由于具有长效、普适、抗静电性可控等优点而获得广泛地应用。点而获得广泛地应用。3.3.常用的导电性填料一般有：金属粉末、碳黑、石墨、碳纤维、金属氧常用的导电性填料一般有：金属粉末、碳黑、石墨、碳纤维、金属氧化物以及近年来发展起来的新型碳材料，如：碳纳米管化物以及近年来发展起来的新型碳材料，如：碳纳米管(CNT)(CNT)、气相生、气相生长碳纤维长碳纤维(VGCF)(VGCF)等。当导电材料在填充体系中

3、的含量达到临界点时，等。当导电材料在填充体系中的含量达到临界点时，导电粒子在基体中形成导电通道，发生从绝缘体到半导体的转变，从导电粒子在基体中形成导电通道，发生从绝缘体到半导体的转变，从而使材料的电阻急剧下降。而使材料的电阻急剧下降。导导 电电 纤纤 维维 的的 概概 况况n n抗静电技术的发展过程n n第一阶段：采用吸湿性抗静电剂对纤维或织物进行表面处第一阶段：采用吸湿性抗静电剂对纤维或织物进行表面处理，或通过本征型静电逸散聚合物理，或通过本征型静电逸散聚合物(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电纤维。这两种抗静电纤维都是基于混或共聚而得到抗静电纤维。这两种抗静电

4、纤维都是基于吸湿放电原理来降低纺织品的比电阻，加快电荷逸散，其吸湿放电原理来降低纺织品的比电阻，加快电荷逸散，其制成品的表面电阻制成品的表面电阻 s s一般在109 1012。缺点：1.对环境相对湿度依赖性较大，当环境相对湿度40%时，抗静电性急剧下降。2.耐久性差：纤维中抗静电组分有向纤维表面的富集趋势，使其耐久性和手感较差。导导导导 电电电电 纤纤纤纤 维维维维 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第二阶段：金属纤维和导电物质表面涂敷。第二阶段：金属纤维和导电物质表面涂敷。1.1.金属导电纤维：首先由美国的金属导电纤维：首先由美国的BekaertBekaert公司在上世

5、纪公司在上世纪6060年代生产的。金年代生产的。金属纤维具有导电性好、耐热、耐化学的优点，但弹性差、伸长小、粗属纤维具有导电性好、耐热、耐化学的优点，但弹性差、伸长小、粗硬挺直、表面粗糙，在制成细旦纤维时，成本较高，与普通合成纤维硬挺直、表面粗糙，在制成细旦纤维时，成本较高，与普通合成纤维混纺时抱合性差。混纺时抱合性差。2.2.导电物质表面涂敷纤维：这种纤维的代表是上个世纪导电物质表面涂敷纤维：这种纤维的代表是上个世纪6060年代末由德国年代末由德国BASFBASF公司率先开发出的碳黑型表面涂敷导电纤维。可以通过物理、化公司率先开发出的碳黑型表面涂敷导电纤维。可以通过物理、化学等途径，在纤维表

6、面涂敷和固着金属、碳、导电高分子等导电物质。学等途径，在纤维表面涂敷和固着金属、碳、导电高分子等导电物质。这种纤维的导电成分都分布在纤维表面，抗静电效果较好，但在使用这种纤维的导电成分都分布在纤维表面，抗静电效果较好，但在使用过程中，导电物质容易脱落，使导电性丧失。过程中，导电物质容易脱落，使导电性丧失。导导 电电 纤纤 维维 的的 概概 况况n n抗静电技术的发展过程第三阶段：复合导电纤维。第三阶段：复合导电纤维。n n复合导电纤维是复合导电纤维是19741974年由美国杜邦公司率先开发出的以含导年由美国杜邦公司率先开发出的以含导电碳黑的电碳黑的PEPE为芯、为芯、PA-66PA-66为皮的

7、复合型导电纤维为皮的复合型导电纤维Antron3Antron3。此。此后，世界各大化纤公司纷纷开始含碳或其它导电物质的复合后，世界各大化纤公司纷纷开始含碳或其它导电物质的复合型导电纤维的研究开发。如：美国首诺，日本的钟纺、东丽、型导电纤维的研究开发。如：美国首诺，日本的钟纺、东丽、可乐丽、帝人等公司，分别使用不同的导电物质、采用不同可乐丽、帝人等公司，分别使用不同的导电物质、采用不同的工艺技术路线，研制开发出各种不同截面形式的复合导电的工艺技术路线，研制开发出各种不同截面形式的复合导电长丝和短纤维。长丝和短纤维。导导 电电 纤纤 维维 的的 概概 况况n n国内外发展现状1.1.目前，国外的研

8、究开发主要集中在各种导电物质与各种成目前，国外的研究开发主要集中在各种导电物质与各种成纤高聚物通过复合纺丝技术制备复合导电纤维这一领域。纤高聚物通过复合纺丝技术制备复合导电纤维这一领域。在导电物质中，碳黑由于其卓越的性价比、纤维的导电性在导电物质中，碳黑由于其卓越的性价比、纤维的导电性在一定范围内可调而尤其受到青睐。在一定范围内可调而尤其受到青睐。2.2.国内在上世纪九十年代开始导电纤维的研究开发工作。目国内在上世纪九十年代开始导电纤维的研究开发工作。目前，江苏、山东、广东、北京等地的科研和生产机构均有前，江苏、山东、广东、北京等地的科研和生产机构均有少量产品进入市场。少量产品进入市场。3.3

9、.现阶段，国内复合导电纤维与国外同类产品相比，主要存现阶段，国内复合导电纤维与国外同类产品相比，主要存在表面电阻相对较高、导电性能和纤维力学性能还不是很在表面电阻相对较高、导电性能和纤维力学性能还不是很稳定的缺陷。稳定的缺陷。导导 电电 纤纤 维维 的的 导导 电电 原原 理理n n导电填料导电填料导电填料导电填料体积电阻体积电阻(cm cm)优优 点点缺缺 点点金属盐金属盐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，耐腐蚀，导电性可调轻，耐腐蚀，导电性可调颜色深，不适于洁净颜色深，不适于洁净场所场所石石 墨墨1010-

10、4-4对体系流变性能影响小对体系流变性能影响小颜色深颜色深碳纤维碳纤维1010-3-3强度高强度高弯曲模量低弯曲模量低碳纳米管碳纳米管1010-6-6增强、导热增强、导热价格昂贵价格昂贵金属粉末金属粉末1010-6-6导电性能好导电性能好易氧化，不耐腐蚀，易氧化，不耐腐蚀，比重大比重大IDPIDP1010-4-4导电性好导电性好加工困难，化学性质加工困难，化学性质不稳定，环保和健康不稳定，环保和健康导导 电电 纤纤 维维 的的 导导 电电 原原 理理n n导电原理导电填料浓度与聚合物表面电阻间的关系导电填料浓度与聚合物表面电阻间的关系导导 电电 纤纤 维维 的的 导导 电电 原原 理理n n导

11、电原理不同结构度导电碳黑的聚集结构示意图不同结构度导电碳黑的聚集结构示意图导导 电电 纤纤 维维 的的 导导 电电 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导 电电 纤纤 维维 的的 导导 电电 原原 理理n n导电原理导电原理不同结构度的碳黑对聚合物体积电阻的影响不同结构度的碳黑对聚合物体积电阻的影响导导 电电 纤纤 维维 导导 电电 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。导导 电电 纤纤 维维 导导 电电 性性 的的 表表 征征n n导电性的表征导电性

12、的表征 高分子材料的电阻与几何形状有关，其固有电阻特性可用体高分子材料的电阻与几何形状有关，其固有电阻特性可用体积电阻来表示：积电阻来表示：式中：式中：AA纤维材料的横截面积，纤维材料的横截面积，L L纤维材料上两个测定电极间的距离纤维材料上两个测定电极间的距离 R R纤维材料上两个测定电极间的电阻纤维材料上两个测定电极间的电阻 体积电阻的单位是体积电阻的单位是 cmcm ，表示单位面积材料的单位长度上，表示单位面积材料的单位长度上的电阻。的电阻。导导 电电 纤纤 维维 导导 电电 性性 的的 表表 征征n n导电性的表征导电性的表征 在某些情况下，纤维材料的导电是在其表面进行的，而不是通在某

13、些情况下，纤维材料的导电是在其表面进行的，而不是通过其体积来实现的，这时其固有电阻特性应为表面电阻：过其体积来实现的，这时其固有电阻特性应为表面电阻：式中：式中：WW式样的宽度或圆柱体的周长，式样的宽度或圆柱体的周长，LL纤维材料上两个测定电极间的距离纤维材料上两个测定电极间的距离 RR纤维材料上两个测定电极间的电阻纤维材料上两个测定电极间的电阻表面电阻的单位为表面电阻的单位为 m/mm/m ，简化写成，简化写成。表面电阻等于单位宽。表面电阻等于单位宽度材料的单位长度上的电阻。为避免和普通电阻单位混淆，度材料的单位长度上的电阻。为避免和普通电阻单位混淆，国际上国际上S S经常用单位正方形面积的

14、欧姆值来表示，即经常用单位正方形面积的欧姆值来表示，即/sq/sq。导导 电电 纤纤 维维 导导 电电 性性 的的 表表 征征n n导电性的表征导电性的表征在商业上，常用单位长度上纤维的电阻来表示纤维的导电性：在商业上，常用单位长度上纤维的电阻来表示纤维的导电性：式中：式中：LL为纤维材料上两个测定电极间的距离为纤维材料上两个测定电极间的距离 RR为纤维材料上两个测定电极间的电阻为纤维材料上两个测定电极间的电阻也可将其称为抗电性能，其单位为也可将其称为抗电性能，其单位为 /cm/cm。导导 电电 纤纤 维维 的的 生生 产产 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

15、法。1.1.表面涂覆法：在作为基体的纤维表面涂覆上碳、表面涂覆法：在作为基体的纤维表面涂覆上碳、银等导电材料。由于导电物质直接涂覆在纤维表银等导电材料。由于导电物质直接涂覆在纤维表面，其抗静电效果较好，但在使用过程中，导电面，其抗静电效果较好，但在使用过程中，导电物质容易脱落，使导电性丧失。物质容易脱落，使导电性丧失。2.2.纺丝法：纺丝法为共混纺丝、直接纺丝和复合纺纺丝法：纺丝法为共混纺丝、直接纺丝和复合纺丝，目前生产品种最多、用途最广的导电纤维就丝，目前生产品种最多、用途最广的导电纤维就是通过复合纺丝法生产的。是通过复合纺丝法生产的。导导 电电 纤纤 维维 的的 生生 产产 和和 用用 途

16、途n n复合导电纤维纺丝工艺流程碳黑碳黑 预处理预处理 造粒造粒 干燥干燥 螺杆挤压机螺杆挤压机 纺丝箱纺丝箱 计量泵计量泵 成纤高聚物成纤高聚物 干燥干燥 螺杆挤压机螺杆挤压机 纺丝箱纺丝箱 计量泵计量泵纺丝组件纺丝组件 侧吹风冷却侧吹风冷却 上油上油 牵伸牵伸 定型定型 卷绕卷绕检验检验 分级包装分级包装 成品纤维成品纤维 导导 电电 纤纤 维维 的的 生生 产产 和和 用用 途途n n复合导电纤维截面导导 电电 纤纤 维维 的的 生生 产产 和和 用用 途途n n复合导电纤维截面复合导电纤维截面导导 电电 纤纤 维维 的的 生生 产产 和和 用用 途途n n复合导电纤维截面导导 电电 纤

17、纤 维维 的的 生生 产产 和和 用用 途途n n复合导电纤维截面复合导电纤维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导 电电 纤纤 维维 的的 生生 产产 和和 用用 途途n n复合导电纤维截面复合导电纤维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导 电电 纤纤 维维 的的 生生 产产 和和 用用 途途n n复合导电纤维的用途 随着高科技的发展，静电危害所造成的后果已不仅仅限于安随着高科技的发展，静电危害所造成的后果已不仅仅限于安全问题。静电放电造成的频谱干扰，是在电子、通信、航空、全问题。静电放电造成的频谱干扰，是在电子、通信、

18、航空、航天以及一切应用现代电子设备、仪器的场合导致设备运转航天以及一切应用现代电子设备、仪器的场合导致设备运转故障、信号丢失、误码等的直接原因之一。在石油、化工、故障、信号丢失、误码等的直接原因之一。在石油、化工、精密机械、煤矿、食品、医药等行业均对静电的防护有特殊精密机械、煤矿、食品、医药等行业均对静电的防护有特殊的要求。的要求。由于复合导电纤维具有导电性能优越、耐洗涤、耐摩擦、使由于复合导电纤维具有导电性能优越、耐洗涤、耐摩擦、使用时间长久等特点，因此非常适用于纺织品、通信工程、电用时间长久等特点，因此非常适用于纺织品、通信工程、电子、信息、汽车制造、运动器材、医疗器械、航空航天、制子、信息、汽车制造、运动器材、医疗器械、航空航天、制药、化工、石油等各个领域。药、化工、石油等各个领域。谢谢 谢谢 ！