第四章 導電性纖維第四章 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。

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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。

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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(insitu

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。

· 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。

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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。

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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

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

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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