导电腈纶纱的导电性及其织物的电热性能研究

林思伶 李龙 吴磊 张弦 马珮珮

（西安工程大学，陕西西安，710048）

腈纶具有强度大、易染色、柔软、不怕虫蛀、不熔滴、耐热等优良性能。导电腈纶不仅可以保留腈纶的优良性能，还具有良好的导电性，可以减少电荷的集聚，消除静电。导电腈纶制成的柔软织物可弯曲、缝制、拉伸、熨烫，且仍具有织物的触感、透气性和柔韧性，在军事、纺织、化工等领域具有广阔的应用前景［1-3］。

柔性电加热元件是可将电能转换为热能的材料，碳基导电材料、金属导电纱、导电聚合物材料等是目前用于电加热织物的主要电加热元件［4-5］。电加热织物的制备方法有多种，使用较多的有将导电材料通过机织法、针织法等织成电加热织物，通过涂覆法、原位聚合法等赋予织物导电性使其成为电加热织物等［6-7］。其中，原位聚合法应用导电聚合物聚苯胺、聚吡咯等，采用化学镀使纱线表面沉积金属银、铜等，制备的导电纤维因工艺简单、成本低受到越来越多研究者的青睐［8-10］。聚苯胺的质子酸掺杂可使其获得优良的导电性能，且易合成、稳定性好以及价格低，是导电高分子领域的研究热点之一［11］；同时其具有还原性，可以还原出银、金、钯、铑等离子，是导电复合材料基体的最好选择之一［12］。化学镀银可赋予纱线优异的导电性、电磁屏蔽性能、抗菌性、抗静电和电热性能，且对人体无害，是目前柔性电加热元件的研究热点之一［13］。

近年来，柔性电加热纺织品因其加热温度可控、可反复加热已成为未来发展智能纺织品的重点研究方向之一。为了满足足够的热舒适性能，避免加热不均匀和局部供暖过度的潜在危险，研究其导电性和传热均匀性具有重要意义。本研究以腈纶长丝和腈纶短纤纱为基材，用原位聚合法掺杂聚苯胺后化学镀银，探讨改性后的腈纶长丝和腈纶短纤纱的导电性及其织物的电热性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

腈纶长丝，线密度16.7 tex。腈纶短纤纱，线密度28.0 tex。

无水乙醇、硝酸银、氢氧化钠、苯胺、过硫酸铵、硝酸、酒石酸钾钠、氨水和葡萄糖均为分析纯。

1.2 导电纱的制备

将腈纶长丝和腈纶短纤纱在水浴80℃、20 g/L的氢氧化钠处理液中浸渍30 min进行粗化处理，随后水洗晾干。将粗化后的纱线在含有苯胺单体的硝酸溶液中浸渍30 min后加入一定量的过硫酸铵溶液，均匀搅拌，密封反应2 h后充分水洗晾干，制得聚苯胺改性腈纶纱，过硫酸铵与苯胺的摩尔比为1∶1。将制备的聚苯胺改性腈纶纱浸入一定浓度的硝酸银溶液中，活化2 h后水洗晾干。配置25 g/L的葡萄糖和2 g/L的酒石酸钾钠混合液并煮沸10 min，冷却后加入无水乙醇制得还原液。将氨水滴入一定量的硝酸银溶液中至澄清，加20 mL/L的乙二胺，再加入氢氧化钠使溶液pH值=11，继续滴加氨水至澄清制得银氨溶液；将活化好的聚苯胺改性腈纶纱放入银氨溶液和还原液的混合液中，在水浴40℃下处理2 h，制得聚苯胺镀银改性腈纶纱，将其取出水洗并晾干，待测。

1.3 测试与表征方法

1.3.1 表面形貌观察和化学元素含量测试

采用VHX-5000型超景深三维显微镜系统对处理前后的腈纶纱表面形貌进行观察。采用Quanta-450-EFG型扫描电子显微镜观察处理前后腈纶纱的表面微观形貌，同时用该仪器配备的X射线能谱仪测定纱线表面化学元素含量。

1.3.2 纱线导电性测试

在温度（20±2）℃、相对湿度（50±3）%的恒温恒湿环境下，采用UT39A型数字万用表对待测纱线进行电阻测试。为了加强样品测试结果的可靠性，每种样品测10次，结果取平均值。

1.3.3 织物电热性能测试

将织物裁剪成30 mm×50 mm的样品，在温度（20±2）℃、相对湿度（50±3）%的恒温恒湿环境下，将DP310型直流稳压电源两根导线两端的夹子与织物两端连接，通过物理试验台施加直流电压，测试待测样品的温度。使用TIX640型热红外成像仪观察不同电压下导电织物在加热过程中的温度变化。

2 结果与分析

2.1 表面形貌和化学元素分析

不同纱线的表面形貌如图1所示。从图1的纱线表面形貌图中可以看出，腈纶短纤纱表面有毛羽、捻度，腈纶长丝表面光洁、无捻度。原位聚合后的聚苯胺改性腈纶纱呈深蓝色。经化学镀银后的聚苯胺镀银改性腈纶纱呈乳白色，聚苯胺镀银改性腈纶长丝颜色均匀，聚苯胺镀银改性腈纶短纤纱毛羽处有银粒子聚集。不同纱线的纤维表面扫描电子显微镜图如图2所示。如图2所示，化学镀银后的腈纶表面被银层包裹，腈纶长丝镀银层分布相对均匀，颗粒紧密且细小。

图1 不同纱线的表面形貌图（均为150倍）

图2 不同纱线的纤维表面扫描电子显微镜图（均为5 000倍）

聚苯胺镀银改性腈纶纱的X射线能谱分析图如图3所示，元素含量如表1所示。从图3中可以看到C、O、Ag三种元素的峰，证明聚苯胺改性腈纶纱表面成功负载了纳米银。

图3 聚苯胺镀银改性腈纶纱的X射线能谱图

从表1中的测试数据可以看出，聚苯胺镀银改性腈纶长丝表面银质量含量多于聚苯胺镀银改性腈纶短纤纱的，进一步说明聚苯胺镀银改性腈纶长丝表面银粒子的负载量较大，因此其导电性更好。

表1 聚苯胺镀银改性腈纶纱的元素含量单位：%

2.2 纱线的导电性

经不同浓度硝酸银制备的聚苯胺镀银改性腈纶纱的电阻测试结果如图4所示。从图4中可以看出，随着硝酸银浓度的增加，聚苯胺镀银改性腈纶纱的电阻不断降低，降低趋势逐渐变缓，其中聚苯胺镀银改性腈纶长丝的电阻值均比聚苯胺镀银改性腈纶短纤纱的电阻值低。不同过硫酸铵浓度下纱线电阻的测试结果如图5所示。由图5可知，过硫酸铵浓度为0.25 mol/L时，聚苯胺镀银改性腈纶纱的电阻值达到最低，聚苯胺镀银改性腈纶长丝的电阻值为0.60Ω/cm，聚苯胺镀银改性腈纶短纤纱的电阻值为0.81Ω/cm。可见，聚苯胺镀银改性腈纶长丝的导电性比聚苯胺镀银改性腈纶短纤纱的好。

图4 硝酸银浓度与纱线电阻的关系

图5 过硫酸铵浓度与纱线电阻的关系

随机各选取5根长度大于10 cm的聚苯胺镀银改性腈纶纱，将其放在绝缘板上，固定两端，采用UT39A型数字万用表分别测试其自然状态下2 cm、4 cm、6 cm、8 cm和10 cm的电阻值，测试10次取平均值。不同过硫酸铵浓度下，聚苯胺镀银改性腈纶纱的长度与电阻值的关系如图6所示。可以看出，过硫酸铵浓度在0.10 mol/L和0.40 mol/L时，聚苯胺镀银改性腈纶纱电阻值均随纱线长度增加呈非线性变化，说明聚苯胺镀银改性腈纶纱的镀银层不均匀。过硫酸铵浓度为0.30 mol/L和0.25 mol/L时，聚苯胺镀银改性腈纶纱电阻值随纱线长度增加呈线性变化，表明过硫酸铵浓度在0.30 mol/L和0.25 mol/L时，聚苯胺镀银改性腈纶纱镀银涂覆较均匀。其中，过硫酸铵浓度为0.25 mol/L时测得的聚苯胺镀银改性腈纶纱电阻值最低，聚苯胺镀银改性腈纶长丝的电阻值更低。

图6 过硫酸铵浓度与纱线长度和电阻值的测试结果

2.3 织物电热性能分析

以T/C 65/35 28.0 tex纱为经纱，以聚苯胺镀银改性腈纶长丝、聚苯胺镀银改性腈纶短纤纱分别为纬纱织造经密350根/10 cm、纬密261根/10 cm的平纹导电织物1和织物2。在温度（20±2）℃、相对湿度（50±3）%的恒温恒湿环境下，对织物两端施加不同电压，进行热红外成像测试。图7为输出电压1.8 V时两个织物的热红外成像图。可以看出，导电织物的热红外图像温度颜色变化从内到外分别是白色、红色、黄色、绿色和蓝色，表示温度由高到低。随着电压的增加，导电织物的表面温度升高。其中，在1.0 V、1.5 V和1.8 V电压下，织物1最高温度分别达到36.6℃、61.0℃和94.6℃，织物2最高温度分别达到29.0℃、40.0℃和51.1℃。

图7 输出电压为1.8 V时聚苯胺镀银改性腈纶织物的热红外成像图

在不同负载电压下聚苯胺镀银改性腈纶织物的温度随时间变化情况如图8所示。

图8 两种织物在不同电压下温度随时间变化情况

可以看出，两种织物的表面温度随着负载电压的增加而升高，温度在施加电压50 s内迅速上升。加热过程中织物1温度波动小，聚苯胺镀银改性腈纶长丝发热较均匀。当关闭电源后，织物表面温度迅速下降。相同电压下，织物1最大平衡温度均比织物2的高。电压在1.0 V时，织物1与织物2表面平衡温度相差较小；电压在1.8 V时，织物1与织物2表面平衡温度相差较大。这是由于织物1中聚苯胺镀银改性腈纶长丝的导电性比织物2的聚苯胺镀银改性腈纶短纤纱的导电性好，织物1通过的电流比织物2的更大，因此产生的热量更多。

3 结论

（1）以腈纶纱为基底，聚苯胺和纳米银为功能材料，通过原位聚合和化学沉积法，以0.25 mol/L的过硫酸铵、10 g/L的硝酸银制备的聚苯胺镀银改性腈纶导电纱具有良好的导电性。

（2）在相同的制备条件下，聚苯胺镀银改性腈纶长丝的导电性比聚苯胺镀银改性腈纶短纤纱的导电性好，聚苯胺镀银改性腈纶长丝的电阻值为0.60Ω/cm，聚苯胺镀银改性腈纶短纤纱的电阻值为0.81Ω/cm。

（3）聚苯胺镀银改性腈纶长丝织物的电加热性能比聚苯胺镀银改性腈纶短纤纱织物的电加热性能稳定；在施加电压相同情况下，聚苯胺镀银改性腈纶长丝织物的表面温度比聚苯胺镀银改性腈纶短纤纱织物的表面温度高。其中，施加电压为1.8 V时，聚苯胺镀银改性腈纶长丝织物的表面温度最高可达94.6℃。