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第四章導電性纖維
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• 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。
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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。
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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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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。
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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。
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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)。
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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。
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填裝碳之纖維素長絲
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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。
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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(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。
•• 本文取自於 nature nanotechnology 2007, 2, 354-357
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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(
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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。
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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。
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• 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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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
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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。
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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。
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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)。
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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
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