第四章 導電性纖維

第四章 導電性纖維

• 導電性纖維的應用

• 導電性纖維的研究發展，除了少部分應用於較 特殊領域外，主要用途在於消除「靜電」對日 常生活及工業所帶來的災害問題。近年來高科 技新興產業快速成長，衍生出電磁波干擾

(EMI)、無線電波干擾(RFI)及靜電放電(ESD)等 電磁輻射所造成的危害，正引起全世界的關

注，例如無塵室中的微粒塵埃，因靜電作用影 響，造成封裝電子產品品質的瑕疵；煤炭礦坑 因塵爆事件所造成之工業災害與安全；纖維工 業、石化工業、電子工業及食品工業等因靜電 造成的塵埃堆積、污染、阻塞，影響生產線的 順暢性與產品品質；放電現象造成通信、資訊 產業及電子工業等產生雜訊、通訊不良、計測 不良等。

• 導電性紡織品隨電子、精密儀器、生物

科技、醫療產業高度發展而呈現跳躍式

的成長，昔日以碳纖維、導電性高分

子、金屬粉塗佈、金屬網所發展之導電

性紡織品，包括抗靜電織物及電磁波遮

蔽織物已因功能要求的提升及新材料的

突破而逐漸被無機金屬纖維、有機金屬

氧化纖維、導電複合纖維及金屬化織物

所取代，並順應電子流行趨勢，發展具

溫控性及可穿戴式的導電性紡織品。本

研究將以比電阻(歐姆·厘米)為基礎，探

討一種具有輕、薄、強、韌高機能導電

性智慧型紡織品的技術發展藍圖。

抗靜電紡織品介紹--無塵衣材料

• 電子及半導體製造業者對靜電釋放與微粒污染損害所 需付出的費用相當驚人，從統計資料中知悉，全球每 年因靜電釋放(Electrostatic Discharge, ESD)所釀成之損 壞成本負擔估計高達9億美元，有些專家認為實際上的 損失還會更高。因此對於環境控制室(無塵室)的要求與 品質與日俱僧。

• 由於無塵室內的空氣通常須保持在相對濕度45%之乾 燥狀態，因此容易產生靜電；靜電在半導體製程上誘 發不良的作用主要有兩大類，一為引發微粒污染，在 各種無塵室的微粒污染源中佔第五位，約5%，另一為 靜電釋放(ESD)，其所引發的失效率，在產品早期各種 失效發生源中佔首位，超過50%；為了克服靜電釋放 的問題，許多製造商已著手研究各種靜電控制計畫，

內容包括製程機儀及人體所產生的靜電危害。

• 無塵室用靜電釋放防護衣著必須具有：(1)靜電

／靜電逸散、(2)微塵粒子產生機會低(低發塵 量)、(3)織造強度夠、(4)耐用性好、(5)抗特定 化學藥劑及(6)穿著性舒適等特性。

• 目前之抗靜電無塵衣大都由人造長纖維織造。

這些織物可以是針織、梭織或紡黏合方式織 造。聚酯長纖是目前無塵室織物最主要之原 料。為了使織物賦予持久性抗靜電／靜電逸散 的效果，一般是於織造過程中嵌入(大概佔織物 重之0.1-0.5%)導電紗。這些導電紗通常在成品 布上顯現條或格子狀樣式(3-10mm，視最終用 途而定)。

• 目前市面上有很多種抗靜電纖維可供選擇，這些纖維 的織造通常是在纖維製造過程中加入些許導電物質，

分別由以下兩種生產方式而得：

• 1.有機高分子纖維(主要是聚醯胺或聚酯)

• (a) 熔融紡絲時加入導電物質添加物 (例如碳黑)。

• (b) 熔融紡絲後以導電物質當作纖維後處理。

• 2.無機纖維(例如不銹鋼纖維)：

• 導電性纖維需經過紡紗後再織成布，纖維導電性之優 劣必須視導電物質之種類、添加量和位置來加以調 整，碳纖維是最常用之導電材料，硫化銅、碘化銅和 其他氧化金屬也常使用。導電物質可以使用類似塗佈 加工的方式覆蓋於纖維外層，或使用複合紡絲使纖維 內部含導電材料，亦或一部份分布在表面一部份在纖 維內部形成兩種介質，導電材料通常添加量在3%～

30%之間。

填裝碳之纖維素長絲

• 導電性碳黑係為增加聚合物的電氣傳導性而最 常被使用的代表性物質，但是為了獲得導電性 聚合物，平均碳粒子間距必須在10nm以下。低 濃度的填裝對電阻的影響力不大，但是某種程 度以上的填裝會使電阻比急速降低。在纖維形 成過程中，採行溶融紡絲法時，即使添加濃度 較低也會對紡絲性造成影響，但是，將纖維素 溶解於N-methyl morpholine oxide（NMMO）

－水系中之紡絲液時，即使添加高濃度的碳黑 也能紡絲。

• 方法是以TITK-Alceru過程為基礎，將纖維素溶 解於NMMO-水液中，接著添加入碳黑，用混 合機使之均勻，然後在減壓下將過多的水除去 之後，採用乾式－濕式紡絲法。將纖維中的碳 黑濃度調在0～8％，視紗線的強伸度，電阻比 而定，導電性纖維最好是3～8％。芯鞘型複合 纖維之芯部若使用碳黑添加成分，則可獲得可 著色的高強力紗。導電性纖維的用途五花八 門，此種Lyocell導電纖維在有水或酒精的存在 下，具有敏銳的電阻比值變化之特有性質，所 以除了一般的用途之外，還可以作為感測器使 用。

新型聚苯胺奈米纖維材料

• 聚苯胺奈米纖維是具有導電性的高分子聚合物，已經 廣泛用於蓄電池、導電材料等研究，其製備方式通常 是利用化學氧化聚合反應或是原位吸附聚合反應(in situ adsorption polymerization)。然而其最大的缺點是在 於奈米結構並無方向性，因此在應用上有所限制。

Chiou等人利用簡單的化學氧化聚合方式控制了聚苯胺 奈米纖維的成長方向，並且奈米纖維在導電或非導電 的基材上皆可有方向性的成長。最小的奈米直徑尺寸 可以控制到10-40奈米，而平均長度可以到70-360奈 米。有方向性的聚苯胺奈米纖維表面則非常親水(接觸 角小於五度)；而如果在奈米纖維表面經過CHF3或CF4 電漿處理，則會變成非常疏水(接觸角大於175度)。這 些材料的應用可用來當作反霧的塗佈材料、透明的電 極或是化學和生化的感應器等。

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• 本文取自於 nature nanotechnology 2007, 2, 354-357

聚酯/碳納米管導電纖維

• 傳統的抗靜電產品主要為聚合物／碳黑（或金 屬氧化物）複合材料，其中導電填料的添加量 很高(20-40WT%)，導致材料的成型加工性和 力學性能變差。碳納米管的導電強度可達銅的 10000倍以上；其機械強度是鋼的100倍，但重 量僅是鋼的1/7，是一種新型納米導電纖維。本 研究採用機械共混和原位聚合的方法，通過優 化加工工藝及選用特殊分散劑，在碳納米管含 量較低(<4wt%)的情況下，成功地製備了綜合 性能優良的聚酯/碳納米管導電母粒及導電纖 維。

• 碳納米管（CNT）的特性

• 碳納米管直徑一般為幾納米至幾十納米，長度可達數微米甚至 數毫米。它是空心的管狀纖維結構[7,8],具有很強的表面效應，量 子尺寸效應，局域場效應和特殊的介面區等很多奇異的物理和化 學現象。它的導電強度可達銅的10000倍以上；其強度是鋼的100 倍，但重量僅是鋼的1/7。此外 ,碳納米管具有的比表面積適中、

充放電能力強等物理及電學特性 ,可用於汽車、機械、電子、軍事 等領域的超級電容器製造 ,並可與各種金屬、非金屬及高分子材料 複合組成綜合性能優異的高強度複合材料、導電材料、遮罩材料 及隱身材料等等。

• 碳納米管作為一種新型材料被發現至今已十餘年，但尚未得到工 業應用。主要有兩大制約因素：一是碳納米管低成本大批量製備 技術；另一個是深入的應用技術。本實驗室已成功地實現了15公 斤/小時碳納米管大批量生產，圖1顯示了碳納米管的聚集狀態及 微觀結構。該項技術已於2001年11月通過了教育部組織的專家鑒 定，並獲中國專利授權（CN01118349.7）。另外，我們在碳納米管 表面修飾、高溫純化、高分子複合等應用技術的開發方面做了大量基礎 研究工作。

• 機械共混製備聚酯／CNT導電纖維

• 機械共混具有低成本、高效率、工藝穩定等優點，是 製備複合材料最為常用的方法。由於碳納米管是以催 化劑為中心放射性外延生長的，且具有很大的（102- 103）長徑比和高的表面能，一般以微米級的聚團存 在。許多研究表明，碳納米管在聚合物中極易團聚，

產生分相，削弱了與高分子基體間的介面結合力，使 其自身優異的性能不能在複合材料中反映出來。

• 本實驗採用預混－擠出－切粒－紡絲加工過程，控制 擠出溫度在230－270℃，螺杆轉速為40－150rpm。通 過大量共混試驗及微觀分析，發現偶聯劑對碳納米管 在聚酯基體中分散性有很大的影響，並且直接決定了 複合材料的導電性。優化了共混工藝及分散劑以後，

在CNT添加量（重量比）較低時制得的複合材料的體 積電阻大幅度下降（降低1012以上），達到了導電纖 維的標準

• 通過掃描電鏡對碳納米管在聚酯基體中 的分散狀態進行了分析，採用I號分散劑 時，碳納米管呈明顯聚團狀（如圖2），

未能形成導電通路，因而複合材料的體

積電阻較高。採用II號分散劑時，碳納米

管聚團被打開（如圖3），由於碳納米管

長徑比很大，只需很小的用量就能形成

導電網路，使材料具有良好的導電性。

• 原位聚合製備聚酯／CNT導電纖維母粒

• 原位聚合是製備納米複合材料的有效方法。

由於碳納米管的分子結構與聚合物有一定的相 似性，且表面有少量的羥基、羧基等極性基 團，通過原位聚合反應，可以使碳納米管與高 分子產生化學結合，從而改善兩相間的相互作 用，起到導電和增強的效果。加入少量碳納米 管以後，複合材料的體積電阻大幅度下降。隨 著碳納米管含量的逐步增加，聚酯的粘度有所 降低，但能夠滿足後續紡絲工藝的要求。

• 通過掃描電鏡對碳納米管在聚酯基體中的分散 狀態進行了分析，發現碳納米管的聚團大部分 被打開，高分子滲透到了聚團內部。當碳納米 管含量達到4％時，在聚酯基體中形成了導電 網路( 見圖4)。

紡絲:

採用複合紡絲的方 法,製備了聚酯/CNT 複合導電纖維，並 用該纖維製成織物