影响镀银纤维长丝导电性能的因素分析

谢 勇，杜 磊，张嘉楠，叶晓露，邹奉元

(浙江理工大学服装学院，杭州310018)

在应用导电纤维制作抗静电、防辐射类功能服装时，使用的导电纤维或纱线的导电性能对服装的功能性有很大的影响，即导电纤维电阻率越小，电荷越容易流通，静电电荷也就越容易泄漏。P.XUE等[1]通过研究拉伸、温度、湿度与PPy导电涂层纤维导电性能之间的关系，建立了拉伸、温度、湿度与PPy涂层纤维导电性能之间的理论模型;Wenmin Qu等[2]研究了温度、湿度与铂金薄膜导电性之间的关系，制作的铂金传感器具有优异的传感性能。镀银纤维作为表面金属化导电纤维的一种，由于其优异的导电性能近年来在功能服装上得到了广泛的应用。因此，本文主要研究镀银纤维长丝导电性能的影响因素，包括温度、湿度、股数、捻度、氧化时间和摩擦次数，为后续嵌织镀银纤维长丝抗静电织物的研究提供参考。

1 实验

1.1 材料及仪器

材料:锦纶基镀银纤维长丝(青岛亨通伟业科技有限公司)。

仪器:YG751B型电脑式恒温恒湿箱(宁波纺织仪器厂)，Fluke289万用电表(福禄克测试仪器(上海)有限公司)，Y(B)331D半自动纱线加捻仪(温州大荣纺织标准仪器厂)，JSM-5610LV型扫描电子显微镜(日本JEOL公司)，BS224J电子天平(赛多利斯科学仪器(北京)有限公司)。

1.2 测试方法

1.2.1 镀银纤维长丝导电性能

将不同单位长度的镀银纤维长丝顺直固定在绝缘板上，用绝缘胶带粘贴长丝两端，在温度(22±2)℃、相对湿度为(65±5)%条件下调湿24 h后，用Fluke289万用电表测试其电阻，测试结果为10次的平均值。

1.2.2 温度、湿度对镀银纤维长丝的导电性能影响

将上述所制的试样置于恒温恒湿箱内，调节恒温恒湿箱内的温度与湿度:相对湿度为65%情况下，设置温度0～50℃来研究温度变化对其导电性能的影响;设置温度为22℃，湿度20%～80%时来研究湿度对导电性能的影响，待平衡后，利用Fluke289万用电表测试镀银纤维长丝的电阻，测试结果为10次的平均值。

1.2.3 加捻、并股对镀银纤维长丝的导电性能的影响

利用Y(B)331D半自动纱线加捻仪，对镀银纤维长丝进行加捻，取样固定于绝缘板上，用Fluke289万用电表测试镀银纤维长丝的电阻，测试条件为温度(22±2)℃，相对湿度为(65±5)%，测试结果为10次的平均值。

1.2.3 镀银纤维长丝的耐久性

利用Y151纱线耐磨性能测定仪对镀银纤维长丝摩擦50、100、200、300、500、1000 次，测量经摩擦后镀银纤维长丝的电阻变化。测试条件为温度(22±2)℃，相对湿度为(65±5)%，测试结果为10次的平均值。

2 结果与讨论

2.1 镀银纤维长丝的导电性能

线性导体其电阻与导体长度的关系为:

式中:ρ为导体的电阻率，L为导体的长度，S为导体的横截面积。

即线性导体的电阻与其长度成正比，图1利用Origin 8.0对所得到的数据进行拟合，得到公式y=4.654 2 x，R2=0.996 8，利用扫描电镜观察镀银纤维长丝，结果见图2。

图1 镀银纤维长丝长度与电阻的关系Fig.1 The resistance per unit length ofsilver-plated filament

图2 镀银纤维长丝单纱SEM照Fig.2 The SEM photograph ofsilver-plated filament

镀银纤维长丝单纤维的直径为21.5μm，利用式(2)计算镀银纤维长丝的截面积S:

式中:S为镀银纤维长丝横截面积，m2;K为镀银纤维长丝中单纱的数目，根;D为镀银纤维长丝单纱的直径，m。

经计算，银的质量分数为41.752%的镀银纤维长丝其电阻率为4.0574×10－4Ω/cm，不锈钢和碳素纤维的比电阻约为10－5～10－2Ω/cm，纤维表面包覆型和成分复合型导电纤维的比电阻约为102～105Ω/cm。由此可见，锦纶表面镀银后其比电阻远远小于表面包覆型及复合型导电纤维，具有较好的导电性能。

2.2 温度、湿度对镀银纤维长丝导电性能的影响

温度会影响到镀银纤维长丝的导电性能。一般来讲，纯金属的电阻随温度的升高其阻值增大，温度升高1℃其电阻值要增大千分之几，碳和绝缘体的电阻随温度的升高而减小，半导体电阻值与温度的关系很大，温度稍有增加电阻值减小很大。图3是温度对镀银纤维长丝的电阻响应关系，对镀银纤维长丝而言，随着环境温度的上升(0～50℃)，镀银纤维长丝的电阻呈指数下降，利用Origin 8.0对所得到的数据进行拟合，得到拟合方程 y=4.65exp(x/15.25)，R2=0.996 4，电阻的变化值约为4 Ω。

图3 温度对镀银纤维长丝导电性能的影响Fig.3 Effect of temperature on the conductive properties ofsilver-plated filament

这种现象的出现有两种原因:一方面，与镀银纤维长丝的构成有关系，镀银纤维长丝基体为锦纶，属于绝缘体的范围畴，其电阻随着温度的升高而减小，且镀银纤维长丝中银含量小于锦纶的含量。因此，随着温度的升高，镀银纤维长丝的电阻会相应地减小。另一方面，与镀银纤维长丝表面少量的银被氧化有关系。因为金属银在空气中往往会与空气中的硫化物进行反应生成Ag2S，而Ag2S有负温度系数的特性，是一种具有负温度系数的热敏材料，即随温度上升电阻呈指数关系减小[3]。

湿度对镀银纤维长丝电阻的影响如图4所示。利用Origin 8.0对所得数据进行了拟合，得到拟合方程为 y=0.164x+16.44，R2=0.961 1。可以看到，镀银纤维长丝的电阻随着湿度的不断增加而呈线性增大，但是增幅缓慢，所以拟合出镀银纤维长丝电阻随着湿度变化的一次函数曲线斜率很小(0.163 74)。一般而言，纤维的吸湿性越强，其电阻越小，纤维的吸湿性差，其电阻也就越大[4]。而在该实验中，镀银纤维长丝的电阻随着相对湿度的增大其电阻反而变大。这与本实验中使用的恒温恒湿箱内的去离子水，即去除呈离子形式杂质后的纯水有关系。去离子水由于去除掉了水中的离子而使得电阻率要远远大于平时使用的水，当湿度增大时，镀银纤维长丝表面会覆盖一层水膜，且水膜的连续程度随着相对湿度的增大而变大[5]。因此，镀银纤维长丝的电阻会变大，其导电性能变差。

图4 相对湿度对镀银长丝导电性能的影响Fig.4 Effect of relative humidity on the conductive properties ofsilver-plated filament

2.3 加捻、并股对镀银纤维长丝的导电性能的影响

对于金属导体来讲，纤维体的扭转形变都会使导体本身的电阻增大。金属经过塑性形变使电阻变大的原因是由于形变使点阵产生缺陷和畸变，导致电子波的散射增强。纺织加工过程中的加捻是一种塑性形变的手段，加捻使得纤维间产生正压力，而形成切向的摩擦阻力，同时，加捻使纤维产生张力。因此，对镀银纤维长丝进行加捻，镀银纤维长丝内的单纱由于相互挤压、摩擦的原因，势必会影响到镀银纤维长丝的导电性能。本实验对不同捻度的镀银纤维长丝的电阻进行研究，镀银纤维长丝随着捻度的增大其电阻也在不断地增大，而且变化趋势越来越大，当镀银纤维长丝捻度到250捻/10cm时，其电阻迅速增大直至断裂，结果见图5。

图5 捻度对镀银纤维长丝导电性能的影响Fig.5 Effect of twist effects on the conductive properties ofsilver-plated filament

将镀银纤维长丝并股，利用导体理论，可看做将导体进行并联，并股后的镀银纤维长丝集合体也就类似于若干根电阻的并联。实验结果与理论推测模型一致。镀银纤维长丝的电阻随着并股数的增加而呈倒函数下降，对实验数据进行曲线拟合，得到拟合方程 y=25.686x－0.8696，R2=0.994 4，结果见图 6。

图6 股数与镀银纤维长丝导电性能的关系Fig.6 Effect of Strand numbers on the conductive properties ofsilver-plated filament

2.4 镀银纤维长丝的耐久性

银是一种不稳定的金属，会因为外界因素变黄变黑，使含有镀银纤维长丝织物的美观与色泽严重损害。因此将镀银纤维长丝静置于空气中进行氧化，每隔1周选样进行测试，其电阻的变化见图7。

图7 氧化与镀银纤维长丝导电性能的关系Fig.7 Effect of oxidation on the conductive properties ofsilver-plated filament

为了分析使镀银纤维长丝外观色泽变化的原因，选样对镀银纤维长丝进行了EDS测试，结果见图8。从EDS图可以知道，被氧化的镀银纤维长丝相比较未被氧化的镀银纤维长丝还含有大量的S元素，这是由于镀银纤维长丝静置于空气中与空气中的H2S化合生成黑色Ag2S的缘故。其化学反应方程式为:

图8 氧化前后镀银纤维长丝EDS元素分析结果Fig.8 The EDS analysis results ofsilver-plated filament before and after oxidation

随着氧化时间的增加，该反应加剧，硫化银增多增厚，镀银纤维长丝表面颜色便逐步由白变黄变灰最后变黑。Ag2S只具有半导体的性质，其导电性远远无法与银相比，所以镀银层被氧化后其接触电阻也就会大幅度增大。

影响镀银纤维长丝导电性能的不仅是其表面的银容易被氧化，而且在穿着及使用含有镀银纤维长丝类织物的过程中由于摩擦而引起镀银纤维长丝表面银含量损失。摩擦是影响含有镀银纤维长丝织物功能性的最主要的因素之一，织物的垂直电阻、表面电阻、半衰期、电磁屏蔽效能等会随着摩擦次数的增加而呈现不同趋势的增大[6]。本文对此也进行了研究，结果如图9所示。

图9 摩擦与镀银纤维长丝导电性能的关系Fig.9 Effect of friction on the conductive properties ofsilver-plated filament

由图9可见，随着镀银纤维长丝摩擦次数的增加，其电阻也不断地增大。对摩擦后的镀银纤维长丝利用SEM进行观察。如图10所示，可以看到，摩擦使镀银纤维长丝表面的银层剥落，严重的摩擦会使镀银纤维长丝中的单纱断裂，从而使电流流经镀银纤维长丝表面的通道受损，影响其导电性能。

图10 镀银纤维长丝摩擦后的SEM照Fig.10 The SEM photograph ofsilver-plated filament after friction

3 结论

1)镀银纤维长丝的导电性能随着温度的增大而增强，且变化随着温度的升高逐渐减缓;湿度对镀银纤维长丝导电性能的影响是呈线性下降的。

2)加捻使得镀银纤维长丝单位长度的电阻增大，导电性能变差，当捻度到200捻/10cm时，镀银纤维长丝表面的银层开始断裂，使其单位电阻急剧增大，导电性能变差;而并股则使得镀银纤维长丝的导电性能呈倒数函数降低，随着并股数目的增多，单位长度镀银纤维长丝的电阻降低趋势逐步减弱。

3)氧化与摩擦都是导致镀银纤维长丝导电性能变差的原因，从研究可以看到，镀银纤维长丝仅仅在4周的时间内就可以使其导电性能降低约1倍。对镀银纤维长丝进行摩擦，其表面的银层在摩擦1 000次后会明显的脱落，导致镀银纤维长丝的导电性能变差。

[1]XUE P，TAO X M，KWOK K W Y，etal.Electromechanical behavior of fibers coated with an electrically conductive polymer[J].TR J，2004(10):929-936.

[2]QU Wn，WLODARSKIW.A thin-filmsensing element for ozone，humidity and temperature[J].Sensors and Actuators B:Chemical，2000，64(1-3):42-48.

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[5]GENG W，WANG R，LI X，etal.Humiditysensitive property of Li-doped mesoporoussilica SBA-15[J].Sensors Actuators B:Chemical，2007，127(2):323-329.

[6]VARNAITS KATUNSKIS J. Influence of abrasion on electrostatic charge decay of woven fabrics with conductive yarns[J].Materials Science，2009，15(2):160-166.