浅色导电纤维的发展及其最新应用

王明序 许子傲 葛明桥 高强

摘要： 以导电纤维/纱线为原料织造而成的现代智能纺织品在抗静电、防辐射、传感器件等方面有巨大的发展前景。然而，传统的炭系导电纤维都以深色为主，无法进行色彩的再加工，这限制了它在服饰领域的应用范围。文章结合近年来国内外在浅色导电纤维领域的研究成果，从掺杂纺丝和表面处理两个角度综述浅色导电纤维的制备工艺，对相关的产品做出对比与评估，最后对浅色导电纤维/纱线在织物电路、传感网络与能源器件的最新应用进行介紹与展望。

关键词： 浅色;导电纤维;制备工艺;智能纺织品;研究进展

中图分类号： TS102.528.5文献标志码： A文章编号： 10017003（2020）01003706

引用页码： 011107DOI： 10.3969/j.issn.10017003.2020.01.007

Development of lightcolored conductive fibers and their latest applications

WANG Mingxu1， XU Ziao1， GE Mingqiao1， GAO Qiang2

Abstract： Modern intelligent textiles woven from conductive fibers/yarns have great prospects in antistatic， radiation and sensor components. However， traditional carbon series conductive fibers are basically of dark colors， and color reprocessing cannot be conducted， which limits their application in the field of clothing. In combination of domestic and overseas research results on lightcolored conductive fibers， this paper summarizes the preparation technology of lightcolored conductive fibers from mixed spinning and surface treatment， compares and evaluates the relevant products. At last， this paper introduces and expects the latest applications of lightcolored conductive fibers/yarns in fabric circuit， sensor network and energy device.

Key words： light color; conductive fibers; preparation technology; smart textile; research progress

导电纤维是指在20℃和相对湿度65%条件下电阻率小于107 Ω·cm的纤维。导电纤维及其相关产品20世纪开始兴起，早期的导电纤维/织物的主要制备方法是在纱线/织物表面涂覆碳黑类导电材料[13]。然而随着应用领域的进一步开发，人们对导电纤维性能、品质要求越来越高，深黑色的导电纤维固然导电性能极佳，但由于无法染色与开发浅色的纺织品，使得其应用愈发受到限制，因此开发浅色的新型导电纤维逐渐成为新的突破方向。国际上对浅色导电纤维的研究开始于20世纪80年代，并已取得大量研究成果，不少成熟的工艺投入工业化生产。且基于工艺成熟性能稳定的导电纤维材料，目前研究机构已开发出一系列功能各异的智能纺织产品。

国内的浅色导电纤维研究起步晚，目前多数还处于研发阶段，虽然已有不少相关的专利报道，但尚未形成规模化生产。且就电阻率参数而言，与国外大公司产品普遍存在着102～105倍的差距，无法满足各领域对其性能的要求，导致国内市场对高端导电纤维产品的需要基本靠从日本、美国等发达国家的进口。

本文在参考浅色导电纤维文献资料的基础上，针对浅色导电纤维基本的制备工艺、结论进行对比总结，对一些制得的浅色导电纤维特点及应用价值进行阐述。此外，基于浅色导电纤维，对其在柔性电子器件的最新应用做简单的介绍，主要内容包括织物电路的设计、传感器传感网络的应用及能源的转换收集三个方面。

1掺杂纺丝

掺杂纺丝法制备浅色导电纤维是利用共混改性技术，将导电填料掺杂并均匀分散在聚合物中，通过干法/湿法纺丝技术制备浅色复合导电纤维。常用的浅色导电填料有浅色金属及其化合物，包括金属银、镍、二氧化钛、氧化锌、金属硫化物、碘化物，导电高聚物包括聚苯胺等[45]。采用掺杂纺丝法制备的复合导电纤维对原料尺寸要求尽可能小（防止因尺寸过大堵住喷丝孔），工艺精密度要求高，因此综合成本因导电填料的不同差别很大。不同导电填料参杂生产的导电纤维性能详情与评价见表1。

1.1金属及其化合物

以金属粉体作为导电填料生产浅色导电纤维是研究最早也是工艺相对成熟的方法。其优点在于制成的纤维导电性能优良（10-4～102 Ω·cm），但也存在成本较高、易氧化（导电性降低）等缺陷。且用做服装面料的原料，金属掺杂型浅色导电纤维舒适性不够，难以达到使用要求。早期的代表性产品包括由日本钟纺工程有限公司（日绵株式会社）制成含ZnO的Belltron632、Belltron638白色导电纤维;日本尤尼卡有限公司（尤尼卡株式会社）开发的Megana浅色导电纤维等。

Kobayashi等[6]以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚醚酯酰胺（PEEA）和碘化钠（NaI）为原料，制备了三元复合聚酯（PET/PEEA）纤维并探究了不同添加量的PEEA及NaI对复合纤维电学性能的影响。何丹农等[7]先对导电ZnO表面进行羟基化改性处理，再和乙二醇等原料发生酯化反应制备复合PET聚酯切片，进一步通过熔融纺丝制备出抗静电的浅色PET聚酯导电纤维材料，实验结果表明，对氧化锌粉体的表面羟基化的处理，能够使得氧化锌导电填料与聚酯通过化学键紧密结合，改善导电性能。

1.2掺杂金属氧化物

单纯以金属氧化物及其化合物作为导电填料制成的导电纤维导电性较差，难以满足应用的要求。根据半导体掺杂理论[8]，只要将少量（50%以下，更优化是25%以下）适宜的第二成分添加入上述物质中，即可使其导电性强化。使用例如铟掺杂氧化锡（ITO）、氟掺杂氧化锡（FTO）、锑掺杂氧化锡（ATO）、铝掺杂氧化锌（AZO）、镓掺杂氧化锌（GZO）等作为新型的浅色导电填料制成的导电纤维，导电性能得到显著提高。

Chen等[9]以ATO为导电填料添加到聚酯中，通过熔融纺丝法制备出抗静电PET复合纤维。在添加量为8 %时，复合抗静电纤维的电阻率达到3.7×108 Ω·cm。此外，导电ATO粉体掺杂在PET纤维中，一定程度上减弱纤维内部大分子链的运动，从而提高了复合纤维的拉伸强度及热稳定性。王少伟等[10]通过自制纤维状导电ATO@TiO2晶须，并使用（NaPO3）6对导电晶须进行表面活性处理，与聚酰胺（PA）混合造粒，再经熔融纺丝制备PA导电纤维。经测试表明，处理后的导电晶须材料可以很好地分散于PA 基体中且相容性良好，且导电TiO2晶须相比之前研究使用的球状ATO导电填料，更容易在纤维中搭接形成导电通路，当导电TiO2添加量达到13%时，纤维体积电阻率即可达到1.7×105 Ω·cm。同样有马慧等[11]以无机晶须为载体，自制AZO包覆型导电粉，湿法纺丝制备出导电PAN纤维，优化条件下導电性为71.4 μS/cm。

1.3导电高聚物

导电高聚物作为导电填料的优势在于与基体纤维高聚物相容性好，能良好地保持基体纤维柔软特性，且化学性质稳定，不易与其他化学品发生反应，另外光学性能也十分优良。但缺陷也十分明显，部分单体有毒、成本相比无机类导电填料较高，生产工艺复杂，因此性价比低，使用领域较窄，市场占有率较低。由于导电高聚物本身难熔的特点，熔融法制备浅色导电纤维成本过高，如何以廉价方式共混熔融纺丝尚处于有待突破的研究难点。一般采取化学聚合的方法，制备包芯型浅色导电纤维。Bohwon Kim等[12]就分别以熔融法和涂覆法制备PET/PANI导电纤维，结果显示，涂覆法相比熔融法制得的PET导电纤维不仅展现出更好的导电性能，同时对原丝的强度、柔韧性保持良好。

2表面处理

表面处理法是指通过对合成纤维进行表面处理，主要包括物理浸渍涂覆、化学聚合、镀层、接枝等在基体表面包覆导电物质或形成导电薄膜，制备浅色导电纤维。相比掺杂导电粒子制备的复合型浅色导电纤维，由于导电层存在于纤维表面，其更容易接触传导电荷，因此导电性能普遍更好。但随之带来的缺陷是使用过程中容易由于外力的摩擦扭曲使得表面的导电层脱落，导电性能下降，所以稳定性和耐久性较弱。表2为表面处理法制备导电纤维的性能详情与评价。

2.1物理涂覆

通过简单的物理浸渍，在基体纤维表面涂覆一层浅色导电物质来制备浅色导电纤维不仅工艺简易，且具有成本低廉、生产效率高等优势，适合大批量生产。但此法也有待以突破的难点：首先是如何使导电粒子在导电液中均匀的分散;其次，简单的物理方法难以将导电层包覆得均匀紧密，因此通过此种方法得到的纤维导电能力的稳定性和耐久性均不佳。新型的纳米银导电液是目前代表性的成熟产品[13]，基于纳米银液的镀银纤维柔性好、强度高，是市场畅销的导电纤维产品。

2.2镀层法

相比物理涂覆，镀层的方式在工艺上稍显复杂，成本也更高，但生产的浅色导电纤维品质也更加稳定。目前最常见的几种方式是在纤维表面形成金属、金属化合物、导电高聚物等导电层。

2.2.1电镀

梁晶晶等[14]对芳纶纤维进行粗化处理，并通过化学镀技术在其表面镀一层金属银，制备镀银导电芳纶纤维。优化条件下导电纤维的表面电阻率达到0.25 Ω·cm，且制备的导电芳纶除了导电性能优良以外还拥有阻燃、耐磨、高强高模等特性。Kim等[15]先对碳纤维表面继续粗化处理，然后采用电解法在纤维表面沉积一层金属镍，并探究了镍离子浓度及镀层厚度等因素对复合导电包覆金属镍的碳纤维形貌结构和导电性能的影响，结果表明，金属镍进一步减小复合导电纤维的电阻率，改善了导电纤维的电学性能。

电镀法耗能巨大，产生的废液污染严重难以处理，且绝大多数合成纤维表面光滑、导电性差，电镀法难以实现纤维表面均匀光滑的效果，通常还需经过多道后续工艺处理，增加了额外成本，并不适用导电纤维的规模化生产。

2.2.2化学聚合

化学聚合无论是加工成本还是难易度相比电镀均有优势。宣日成等[16]根据I2能够渗入聚酰胺纤维体内的特点，将I2在聚酰胺纤维内转化成CuI后，再转化成具有良好化学稳定性和导电性的CuS，从而获得导电短纤维或长丝（105～106 Ω·cm）。但此法制得的聚酰胺导电纤维缺陷在于，为了获得更好的导电性能，需要增加碘溶液的质量浓度与纤维浸渍时间，这会导致纤维因为进入太多碘变得脆硬，颜色加深。同时，如何提高涂覆的硫化铜导电膜耐牢度有待进一步的研究。

诸金等[17]通过铜盐一浴法制备导电PAN纤维。通过在PAN纤维表面包覆一层硫化铜导电层，制得PAN导电纤维。这种方法工艺简单且制得的导电纤维柔软性、印染性均不受影响。制得的导电PAN纤维体积电阻率也达到了10-1～10-2 Ω·cm。Yu Wang等[18]进一步探究硫化铜包覆型PAN导电纤维，不仅具有良好的导电性能，由抗菌性能测试表明，由于铜盐的存在，纤维具有优异的抗菌性能，经过30次标准洗涤后，抗菌活性和电导率仍保持良好。法国RStat公司曾开发一款抑菌型浅色导电纤维，以聚酯或聚酰胺为基材，包覆CuS导电层，导电性为102～105 Ω·cm。

除去无机类的导电粒子，对导电高聚物类如聚苯胺、聚吡咯等，采用化学聚合法制备浅色导电纤维也是一个重要的研究方向。在1987年，日本菱田三郎等[19]将PET纤维经碘及碘化钾处理后置于吡咯蒸汽中，并引发聚合反应，在PET表面形成经掺杂的聚吡咯层，生产出浅色涤纶导电纤维，经测试纤维的电阻率达1.7×10-2 Ω·cm。

李敏等[20]采用原位聚合法，在芳纶纤维表面负载一层聚苯胺导电层。探究了氧化剂种类、浓度、苯胺单体浓度、反应时间和温度等参数对复合纤维导电性能的影响。正交优化实验表明：选取过硫酸铵和盐酸为氧化剂和掺杂剂，在苯胺质量浓度为16g/L、20℃条件下反应2h，导电性最佳为0.47S/cm，同时纤维展现出良好的环境稳定性，并且保持了原有的强度与柔韧性。

Oh等[21]采用等离子体处理PA6 纤维，以提高纤维表面的吸附力和氧化聚合速率。研究发现，经等离子体处理过的PA6 纤维表面被有效侵蚀，羟基等极性基团的引入增加了聚酰胺纤维的表面活性，促进了苯胺单体的氧化聚合，增加了纤维对于聚苯胺的吸附性，从而增加了电导率。并且和未经等离子体处理过的复合材料相比，经过反复洗涤和磨损，后者依旧保持了良好的导电性能。同样有Xia 等[22]通过原位聚合的方法制得聚苯胺/PA6皮芯结构复合纤维，并研究出均匀包覆聚苯胺的优化条件。

3浅色导电纤维最新应用

对浅色导电纤维研究之初主要是针对纺织领域的开发应用，解决传统碳系导电纤维染色性差、手感粗糙等问题。利用浅色导电纤维优良的导电性能，开发出各类抗静电、防辐射产品，例如加油站、油气田使用的工作服，精密电子元件的防电磁波外套，军用防雷达伪装罩等[2325]。

随着科技的发展和进步，浅色导电纤维不仅具有十分优异的电学性能，而且由于长度和线密度的尺寸可控性好、强度高、柔曲性好、可加工性能好，具有优异的电信号探测和传输性能[2627]，它已成为21世纪智能材料首选的信息传感与传输的理想载体，在传感器、医药、航空航天、机械、电子通信等领域都表现出了优越的应用前景。

3.1织物电路及电子组件

近年来，新兴发展的电子产品在柔韧性、可织性和轻量化等方面对电子器件的连接导线提出越来越高的要求，传统的金属线在适用性上不断遇到新的挑战。柔性可拉伸的导电纤维/纱线在保证舒适性和可织性的同时，可以为可穿戴的微型电子设备提供可靠的连接与信号传递，因而有望成为传统金属导线出色的替代品。根据适用要求选取性能合适的导电纤维/纱线可在织物中设计编织复杂的织物集成电路[2829]，极大地拓宽了其在现代智能纺织品中的应用范围。

尽管织物电路存在上述的多种优势，然而它的发展还依赖于微型的电子元件的创新，以及将电子纺织品集成在织物上的工艺技术的突破。此外，相比金属导线，纤维在导电性能方面依旧处于劣势，导电性和稳定性均有待进一步的突破。在现有的应用里，均有报道由于伸长、弯曲性不够或者恶劣的使用环境下织物电路出现连接失效、电子器件开裂等情况[3031]。

3.2传感器及传感网络

导电纤维的电子技术中，传感器件是目前应用成果最多、技术研究最成熟的产品。按照传感形式的区别可主要分成应变传感器、压力传感器、化学传感器、光学和湿度传感器等几大类。基于功能各异的传感器件的组合使用，国内外相继研发出现的各类智能纺织服饰，实现了对人体各类体征进行监测的功能[3234]。表3列举了一些市场智能服饰。

织物的传感阵列特别是电阻传感器，通常是使用晶体管和复用器辅助处理或通过阻抗层析成像[35]，这不可避免导致了电路和操作的复杂性，尤其是对于大型的传感网络需要集成大量的电子元件且信号处理周期较长。此外，如果存在干扰电流和额外电子元件的电阻干扰都会使得测试误差增大。支持大量传感器、信号传输和信息处理的高能耗问题也会是另一个等待突破的瓶颈。

3.3基于导电纤维的能量收集与存储系统

基于导电纤维材料的能量转换概念很早就被提出，通过特殊的导电纤维材料实现对太阳能、机械能和热能的转换收集与存储在技术上已经变得可行。因此，新一代智能的可穿戴电子系统不再依赖可充电电池，而是从环境或人体的运动中获取能量。ITO光伏纤维器件、二氧化钛的纤维太阳能电池、碳纳米管纤维基电池等在能量转换材料领域不断成为新的研究热点[3638]。基于Fe3O4/CNT的复合光伏纤维器件在光电的转换效率目前已有突破了8%的测试记录[39]。除去太阳能的光电转换，由半导体纤维材料（氧化锌、硫化镉、硫化锌、氮化镓、氮化铟等）制备的纳米发电机实现了机械能到电能的转换[40]，其中又可分为将弯曲和压缩的机械能转化为电能的压电式纳米发电机和利用摩擦产生电能的摩擦发电机两大类[41]。然而疲劳寿命作为电源的一个重要参数，相比前者，这类机械能的转换器件在反复的形变过程中，界面剪切应力易引起夹层分层，失去器件的机械完整性与电气连接性，导致寿命降低。相关的改性研究不在少数，性能有待进一步的改善。

4结论与展望

作为功能性材料的一种，从基础的抗静电、防辐射产品的开发应用到如今各类层出不穷的穿戴式柔性传感器件、智能纺织品的问世，导电纤维在科学发展至今愈发凸显出不可或缺的重要性。浅色的导电纤维突破了传统碳系导电材料的深色限制，极大地拓展了其在各类服饰领域的应用与价值，随着人们对产品外观、安全性、舒适度上愈来愈高的要求，在可预见的未来里，这依旧会是一个很大的研究热点。

尽管目前在此方面已经取得长足的进步，但很多的报道原型远没有达到实际的使用要求，新型的导电功能粒子、新颖的设计方法、优化的工艺技术依旧需要不断地探索。且基于国內对此类产品研究开发的弱势地位，浅色导电纤维材料及其产品的设计开发还任重道远。

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