導(dǎo)電纖維的分類、制造工藝、及其在抗靜電、電磁屏蔽、柔性傳感領(lǐng)域的應(yīng)用

導(dǎo)電纖維一般是指在20℃、相對(duì)濕度65%的條件下，電阻率小于107Ω·cm的纖維，是功能纖維里的一個(gè)重要品種。

最初，為了提高合成纖維在使用過程中的抗靜電性，研究人員通過共混、接枝和加入表面活性劑的策略來提高纖維的吸濕性以促進(jìn)表面電荷的逸散，然而其對(duì)濕度環(huán)境的高選擇性限制了應(yīng)用前景。人們開始嘗試將目光投向具有自身導(dǎo)電性的纖維。

20世紀(jì)60年代，金屬纖維的問世開啟了導(dǎo)電纖維研究的序幕。后面隨著碳材料的發(fā)展，碳系導(dǎo)電纖維成為研究熱點(diǎn)。20世紀(jì)80年代，面對(duì)導(dǎo)電纖維的服用需求，以金屬化合物鍍層纖維為代表淺色導(dǎo)電纖維得到了廣泛研究。這一趨勢進(jìn)一步推動(dòng)了有機(jī)導(dǎo)電纖維的發(fā)展。

近年來，隨著液態(tài)金屬、金屬納米材料、二維過渡金屬碳化物或氮化物(MXene)等新型材料的發(fā)展，導(dǎo)電纖維的品種不斷豐富，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬，在電子紡織品、纖維傳感器、纖維顯示、纖維電池及超級(jí)電容器等新型元件等方面都取得迅速發(fā)展。

目前，導(dǎo)電纖維的種類，主要分為金屬導(dǎo)電纖維、有機(jī)導(dǎo)電纖維、碳基導(dǎo)電纖維等。

1、金屬基導(dǎo)電纖維

金屬基導(dǎo)電纖維，具有**的導(dǎo)電性能及物理化學(xué)穩(wěn)定性。金屬基導(dǎo)電纖維所采用的導(dǎo)電材料種類繁多，包括金屬、金屬化合物、金屬納米材料，以及近年來備受矚目的液態(tài)金屬。

從發(fā)展歷程上看，傳統(tǒng)金屬材料中不銹鋼纖維**被用于制備導(dǎo)電纖維，其產(chǎn)品有日本精線株式會(huì)社的“耐素龍”不銹鋼纖維和美國 Brunswick公司生產(chǎn)的Brunsmet不銹鋼纖維。雖然傳統(tǒng)金屬纖維具有**的導(dǎo)電性，但是金屬導(dǎo)電纖維質(zhì)量較大，且柔性耐彎折性能差。

不同于傳統(tǒng)的金屬材料，氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2)等金屬化合物粉體通過摻雜在成纖高聚物基體中可以實(shí)現(xiàn)共混紡絲，較早被用于制備導(dǎo)電纖維。

此外，鋁、鎳、銅和銀等多種金屬的硫化物或碘化物鍍層，經(jīng)過設(shè)計(jì)后可用于開發(fā)具有特定顏色的導(dǎo)電纖維，這為導(dǎo)電纖維的個(gè)性化定制提供了新的可能性。

近年來液態(tài)金屬也開始受到廣泛關(guān)注，在導(dǎo)電纖維的制備中展現(xiàn)出巨大潛力。液態(tài)金屬指的是那些具有液態(tài)外觀但熔點(diǎn)卻低于或接近室溫的金屬或合金。這種特性使得液態(tài)金屬既有固體金屬的優(yōu)良導(dǎo)電能力又擁有液體的流動(dòng)性。

將液態(tài)金屬引入到導(dǎo)電纖維的制造過程中，不僅可以提高纖維的導(dǎo)電性，還能帶來更多的物理性能變化，比如，改變纖維的機(jī)械強(qiáng)度、熱性能和光學(xué)性質(zhì)。

2、有機(jī)導(dǎo)電纖維

有機(jī)導(dǎo)電纖維的制備是普通纖維采用后加工方法，如化學(xué)鍍、電鍍金屬或金屬化合物。其物理機(jī)械性能與普通紡織纖維類似，電阻率為102~104Ω·cm，纖維質(zhì)量較輕，能卷撓且可洗；有機(jī)導(dǎo)電纖維具有優(yōu)良的染色性能、紡織加工性能，同時(shí)還具有持久的導(dǎo)電性以及穩(wěn)定的耐化學(xué)試劑性能。

有機(jī)導(dǎo)電纖維的制備方法不同，種類也不同，可分為導(dǎo)電聚合物纖維、普通合成纖維涂覆導(dǎo)電纖維、復(fù)合或共混導(dǎo)電纖維等。

（1）導(dǎo)電聚合物纖維

由本征型導(dǎo)電高分子通過直接紡絲法得到的有機(jī)導(dǎo)電纖維。常見的有聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯等導(dǎo)電高分子物質(zhì)。但由于本征導(dǎo)電聚合物纖維生產(chǎn)加工工藝復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)成本過高，使得其很難應(yīng)用于紡織加工生產(chǎn)。

（2）普通合成涂覆導(dǎo)電纖維

普通合成涂覆導(dǎo)電纖維的制取方法是采用復(fù)合紡絲法在纖維中混入高濃度的導(dǎo)電微粒。

一般分為2類：一是由普通合成纖維涂覆導(dǎo)電物質(zhì)制成纖維導(dǎo)電物質(zhì)；二是通過共混紡絲法或高聚物復(fù)合制成纖維。

20世紀(jì)60年代末期，表面涂覆碳黑的有機(jī)導(dǎo)電纖維由德國 BASF公司、日本帝人公司等率先開發(fā)制成。但這種導(dǎo)電纖維只是在纖維表面附著導(dǎo)電成分，多次摩擦和洗滌后容易使導(dǎo)電成分脫落，致使纖維導(dǎo)電性下降。

（3）復(fù)合或共混導(dǎo)電纖維

復(fù)合或共混導(dǎo)電纖維是將普通纖維與炭黑或金屬氧化物復(fù)合而形成的一種有機(jī)導(dǎo)電纖維。其導(dǎo)電成分主要分布在纖維的軸向，有利于電荷的逸散，因而具有良好的導(dǎo)電性及 耐腐蝕性，線密度和長度適中，綜合性能良好。

在聚酯切片中添加8%的導(dǎo)電填料ATO, 制備抗靜電PET復(fù)合纖維。纖維的電阻率為 3.7×108 Ω·cm。此外，在PET纖維中摻雜導(dǎo)電 ATO粉體，能在一定程度上減弱纖維大分子鏈的運(yùn)動(dòng)，從而提高復(fù)合纖維的熱穩(wěn)定性及拉伸強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于紡織工業(yè)生產(chǎn)、服裝和配飾加工等方面。

3、碳基導(dǎo)電纖維

在當(dāng)今的材料科學(xué)領(lǐng)域，納米碳材料因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如出色的導(dǎo)電性（約104 S·cm-1）、 高強(qiáng)度、大比表面積以及相對(duì)較低的質(zhì)量密度，已經(jīng)成為導(dǎo)電纖維制備中不可或缺的一部分。這些材料以0D、1D和2D結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，不斷拓展著對(duì)導(dǎo)電材料的認(rèn)知與應(yīng)用。

在眾多制備導(dǎo)電纖維的電極材料中，碳納米管、石墨烯和碳纖維是最為常用的材料。

特別是，碳纖維是一種典型的具有纖維狀形態(tài)的碳材料，其碳含量通常超過95%。這種材料不僅擁有優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)性能，而且還展現(xiàn)出了**的抗拉強(qiáng)度（高達(dá)7 GPa），蠕變性能出色，密度范圍在 1.75~2.00 g/cm3，具有高模量（超過900 GPa）和高電導(dǎo)率（在102～104 S·cm-1）

導(dǎo)電碳纖維主要是以腈綸、粘膠等纖維為原絲，經(jīng)過碳化、石墨化等處理而制成。碳纖維既具有碳材料導(dǎo)電的特性，又具備纖維的柔軟性和可紡性。而且碳纖維是電阻的負(fù)溫度系數(shù)導(dǎo)體，相對(duì)濕度對(duì)其導(dǎo)電性的影響不大。同時(shí)碳纖維導(dǎo)電成分均一，具有強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

碳納米管纖維具有獨(dú)特的輕質(zhì)、大表面積、高強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電性、出色的柔韌性、抗腐蝕和抗氧化性以及易于定制微觀結(jié)構(gòu)以獲得所需性能的易加工性。 目前基于碳納米管纖維，成功開發(fā)了一維柔性可拉伸導(dǎo)線、人工肌肉、超級(jí)電容器、太陽能電池、鋰電池、柔性傳感器以及天線等先進(jìn)器件。

石墨烯纖維是由單個(gè)石墨烯單元及其衍生物組成的宏觀纖維材料。目前有多種方法可以制備石墨烯纖維，通過濕法紡絲將氧化石墨烯液晶擠出到凝固浴中紡絲成型然后進(jìn)行還原，是應(yīng)用最廣泛的一個(gè)制備路線。不同于以往的碳基纖維，石墨烯纖維的構(gòu)筑單元是具有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱、機(jī)械強(qiáng)度等性能的二維晶體石墨烯，纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維有序、致密均一，有潛力將碳質(zhì)纖維的性能推向一個(gè)新的發(fā)展階段。

4、MXene基導(dǎo)電纖維

二維MXene材料，也被稱為過渡金屬碳/氮化物。 2011年，由Naguib等領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)成功制備出了Ti3C2Tx這一新型材料。

相比傳統(tǒng)金屬材料，碳基材料以其輕質(zhì)特性受到青睞，然而，它們?cè)趯?dǎo)電性方面的表現(xiàn)卻不盡如人意，這限制了它們?cè)诟呒夹g(shù)應(yīng)用中的進(jìn)一步發(fā)展。

MXene材料融合了金屬和碳基材料的優(yōu)勢，不僅保持了金屬材料的導(dǎo)電性，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了碳基材料的輕量化。更為重要的是，MXene具備極高的本征電導(dǎo)率，可達(dá)2.4×106 S/cm，這意味著在同等條件下，其導(dǎo)電能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)金屬材料和碳基材料。

隨著對(duì)MXene材料了解的深入，越來越多的創(chuàng)新應(yīng)用被提出并得到驗(yàn)證。例如，將MXene用于增強(qiáng)現(xiàn) 有碳基電催化劑，或是作為柔性電子器件的電極材料等。這些應(yīng)用展示了MXene材料在未來科技領(lǐng)域中的巨大潛力，尤其是在可穿戴設(shè)備、傳感器以及能源存儲(chǔ)系統(tǒng)等方面。

根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝，可以將導(dǎo)電纖維的制備方法分為紡絲工藝和表面處理工藝。此外，還可采用拉伸和碳化方法。下面簡要地介紹了導(dǎo)電纖維的制造方法。

1. 紡絲法

紡絲法是制備纖維的重要方法之一，在紡絲工藝中，又分為共混或復(fù)合紡絲法和聚合物直接紡絲法。

共混或復(fù)合紡絲法即采用各種導(dǎo)電物質(zhì)如金屬氧化物、有機(jī)物等與成纖高聚物經(jīng)紡絲法制得纖維的方法。這種方法不僅能夠確保纖維中所需導(dǎo)電性材料的均勻分布，而且還能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的功能特性，如增加機(jī)械強(qiáng)度或提高熱穩(wěn)定性等。

聚合物直接紡絲是指采用濕法紡絲法將導(dǎo)電聚合物(例如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等)紡絲溶液從噴絲頭的噴絲孔中壓出，在凝固浴中冷卻，直接紡成纖維的方法。

微控流紡絲是一種以傳統(tǒng)濕法紡絲為基礎(chǔ)，開發(fā)出的一種可以生產(chǎn)微米級(jí)纖維的新型紡絲技術(shù)。這種技術(shù)可以通過對(duì)微通道中微尺度液體的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的尺寸和形貌的微觀控制。

靜電紡絲技術(shù)也是制備導(dǎo)電纖維的一種重要的工藝，其原理是聚合物或熔體在強(qiáng)電場中直接噴射紡絲，可生產(chǎn)長徑比大、比表面積大的納米級(jí)纖維。

濕法紡絲工藝中的另一種關(guān)鍵技術(shù)是浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積（FCCVD），它也被稱為化學(xué)氣相沉積（CVD）。這種方法是制備碳納米管的一種有效手段，特別是在制備碳納米管纖維方面。通過FCCVD工藝，CNTs纖維得以成形，這些纖維不僅擁有出色的機(jī)械性能，而且電導(dǎo)率極高，這使得它們?cè)谥悄芸纱┐髟O(shè)備領(lǐng)域和超級(jí)電容器電極材料的開發(fā)與應(yīng)用中得到了極大的關(guān)注和青睞。

2. 表面處理法

表面處理法是指通過對(duì)合成纖維進(jìn)行表面處理，主要包括物理浸漬涂覆、鍍層、共聚接枝等在基體表面包覆導(dǎo)電物質(zhì)或形成導(dǎo)電薄膜制備導(dǎo)電纖維。

浸漬涂覆法，是在基體纖維表面涂覆導(dǎo)電物質(zhì)制備導(dǎo)電纖維的方法。即利用溶劑蒸發(fā)后，導(dǎo)電 物質(zhì)在纖維表面沉淀，均勻包覆纖維呈導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)涂層的方法。最早期的應(yīng)用是在紗線或織物表面涂覆炭黑類導(dǎo)電物質(zhì)，而后相繼出現(xiàn)諸如碳納米管(CNTs)、銀納米線 (AgNWs)等。但此法亟待解決的問題是：如何使導(dǎo)電物質(zhì)均勻分散，且包覆后的導(dǎo)電纖維缺乏耐久性和導(dǎo)電穩(wěn)定性。

鍍層方法成本高，但導(dǎo)電性能穩(wěn)定。如采用電鍍、真空噴涂、磁控濺射、化學(xué)電涂沉降等方法在纖維表面形成金屬、金屬化合物、導(dǎo)電高聚物等導(dǎo)電層。與浸沒涂覆法的溶劑型涂層相比，鍍層膜的厚度精確可控。但也存在缺陷，如電鍍法耗能巨大、廢液處理比較復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)纖維表面均勻光滑的效果等。

共聚接枝法，是指在大分子鏈上通過結(jié)合支鏈或功能性側(cè)基后得到改性纖維的方法，利用此法可制備出具有附加性能的纖維。共聚接枝屬于化學(xué)改性，不同于物理涂覆和鍍層等方法，改性后的纖維具有更優(yōu)異的物理化學(xué)性能，同時(shí)耐久性和穩(wěn)定性也更高。

3. 拉伸法

拉伸法是制備金屬絲導(dǎo)電纖維的主要方法，其又分為單絲拉伸法和集束拉伸法。用這兩種方法生產(chǎn)的纖維直徑約為8~35μｍ，與熔融紡絲法生產(chǎn)的纖維直徑幾乎相同， 采用切割法制備的纖維直徑一般在15~300μｍ之間。

4. 碳化處理法

利用炭化技術(shù)對(duì)纖維進(jìn)行深度處理也是目前廣泛使用的方法之一。一般的纖維經(jīng)炭化處理后，其電導(dǎo)率能有很大的提高。以碳纖維為例，經(jīng)碳化處理后，碳纖維導(dǎo)電性能和耐熱性良好，但同時(shí)模量高，缺乏韌性，適用范圍有限。目前較多采用的方法是丙烯腈系纖維的低溫碳化處理法制備碳纖維。

新型的紡織材料導(dǎo)電纖維以其**的導(dǎo)電性而著 稱。它們不僅能夠有效地消除靜電，減少由靜電引起的干擾和問題，還能吸收和轉(zhuǎn)化電磁波，為電子設(shè)備提供安全、穩(wěn)定的電磁環(huán)境。不僅如此，導(dǎo)電纖維在電信號(hào)的探測和傳輸方面也展現(xiàn)出了不可忽視的功能。

1. 抗靜電領(lǐng)域

靜電問題的存在導(dǎo)致眾多工廠和企業(yè)頻頻遭受火災(zāi)，以及其他嚴(yán)重的安全事故。在這種背景下，導(dǎo)電纖維的出現(xiàn)為解決靜電問題提供了一種有效的解決方案。

抗靜電服裝就是利用導(dǎo)電纖維的特性來保障使用者的人身安全。穿著這種服裝的工作人員能夠有效地將衣物和設(shè)備表面累積的電荷迅速導(dǎo)出到空氣中或直接導(dǎo)入地面，從而減少了靜電引起的危險(xiǎn)和潛在傷害。

2. 防輻射與電磁屏蔽領(lǐng)域

在數(shù)字化、智能化的時(shí)代背景下，人們的在盡享科技帶來的便利時(shí)，也必須正視它所帶來的負(fù)面影響，比如電磁波的輻射對(duì)人體健康可能造成的潛在危害。

在這種情況下，電磁屏蔽材料就顯得尤為重要。它們能夠有效地隔離外界的電磁波，保護(hù)使用者免受不必要的干擾。

在眾多種類的電磁屏蔽材料中，導(dǎo)電纖維織物因其獨(dú)特的功能而備受關(guān)注。當(dāng)織物受到外界強(qiáng)烈電磁波的照射時(shí)，會(huì)激發(fā)出電流，這些電流會(huì)在織物表面形成一個(gè)異常磁場，該磁場與外部磁場方向相反，相互作用之下，使得織物的總電磁輻射降低到最低水平。通過這種方式，導(dǎo)電纖維制成的電磁防護(hù)織物能夠有效地屏蔽掉外界的電磁波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界干擾的有效防護(hù)。

3. 在柔性傳感器中的應(yīng)用

傳感器是一種將生理或環(huán)境信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)用戶和電子系統(tǒng)交互的媒介，可以分為剛性傳感器和柔性傳感器兩類。由于技術(shù)相對(duì)成熟、工藝比較完善，剛性傳感器在目前的可穿戴設(shè)備中依然占據(jù)主導(dǎo)地位。剛性傳感器雖然具有良好的電化學(xué)性能，但非柔性的缺陷，使其很難完成在復(fù)雜表面上的精確檢測，極大地限制了其應(yīng)用范圍。

導(dǎo)電纖維柔韌且具有彈性，可制成柔性感應(yīng)器，使其成為多功能設(shè)備的理想選擇。柔性傳感材料的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，從智能紡織品到健康監(jiān)測系統(tǒng)，再到運(yùn)動(dòng)追蹤裝置和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

基于導(dǎo)電纖維的柔性傳感器，可以將導(dǎo)電纖維或者導(dǎo)電織物產(chǎn)生的機(jī)械變形轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)輸出，從而獲得測量信息。這種基于導(dǎo)電纖維的柔性傳感器，根據(jù)敏感元件的工作原理主要分為：電阻型柔性傳感器和電容型柔性傳感器。

柔性織物壓阻傳感器就是以紡織品作為基底，采用不同方式與傳感材料或元件結(jié)合，制成的適應(yīng)各類可穿戴設(shè)備需求的柔性傳感器件。這類傳感器在滿足傳感器物理機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，也保持了織物的手感以及柔韌性，甚至可以洗滌，使其在智能服裝、可穿戴設(shè)備、智能床墊、汽車智能座椅上的應(yīng)用前景非常廣泛。

在座椅中科學(xué)地布置柔性織物壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)人體姿態(tài)識(shí)別、生命體征檢測，結(jié)合算法控制氣動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)座椅主動(dòng)貼合、座椅軟硬度自動(dòng)調(diào)節(jié)、個(gè)性化按摩、不良坐姿提醒等功能。

綜上，在導(dǎo)電纖維的應(yīng)用研究方面，對(duì)于重復(fù)使用性、耐久性、可編織性、靈敏度、導(dǎo)電性 等都具有嚴(yán)格要求，相對(duì)來說，目前面世的大多數(shù)可穿戴電子器件以剛性為主，雖然也有一些被嵌入柔性紡織品中，但基于紡織物的可穿戴系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用總體上還處于研發(fā)階段。相關(guān)研究**啟發(fā)性，但同時(shí)也**挑戰(zhàn)性。