Chap4 纤维的电学性质

纺织物理

Chap4 纤维的电学性质

概述

在纺织技术领域中，利用纺织材料的电学性质，可以间接测量纺织材料的其他性质。

另外，在高技术纤维材料（ High—tech fibers ）中，纤维的导电、屏蔽、制振等功能均涉及纤维的电学性质。

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第一节纤维的导电性一、纤维的导电机理

1 、纤维导电的一般形式

导电是指带电粒子（或载流子）的定向移动。是指载流子在电场作用下在介质中的迁移。载流子可以是电子、空穴，也可以是离子。在自然界中，物质的电传导的基本方式是：自由电子的定向运动，主要发生在金属类物质中；或电离离子的定向运动，这主要发生在电解溶液中或电离气体中。根据此两种形式，即可将导电分为电子导电和离子导电两种。经典概念认为，不论是何种形式的导电，均需存在带电粒子，或是电子与空穴，或是正负离子。

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传导电流 I＝ n·q·V0·S

n 是电位体积（ 1cm3 ）内载流子的数目， q 是每个载流子所带电荷， V0 是载流子的迁移速度。假定在所加电场下载流子迁移速度正比于所加电场 E ，即 V0 ＝ μ·E ，则 I＝ n·q·μ·E·S。这里 μ 是载流子的迁移率（厘米 2/ 伏特 · 秒），是电位梯度 E 等于一个电

位（ 1 伏特 / 厘米）时载流子迁移速度。

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电导率 σ[ 欧姆 · 厘米 ] － 1 定义为在单位电位（电压）下流过每立方厘米材料的电流 I（安培）。是衡量材料电导能力的表观物理量。

σ ＝ I ·d/V·S 式中 L 是物体的厚度（厘米）， S 是物体的面积（厘米 2 ）， V 是电位（伏

特）。当介质放入均匀电场时，即 E ＝ V/d ，因此， σ ＝ n·q·μ 电导率与两个基本参数相关，即单位体积中载流子数目 n （厘米－ 3 ）和载

流子迁移率 μ （厘米 2/ 伏特 · 秒）

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纤维的导电能力的大小同样取决于纤维中带电粒子的多少，即载流子的数目 n 、载流子的迁移速率 μ 以及这些载流子所带有的电荷 q 。

研究高聚物电导性就是弄清载流子品种、来源及浓度，它们在材料本体中迁移方式及迁移率大小。

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根据电导性的概念，在讨论高聚物的电导性时，必须考虑传导电流的载流子是什么，它们的数目和它们以何种方式在高聚物本体中运动。一般说来，载流子 ( 电子、空穴、离子 )可以由材料内部产生，也可以来自材料的外部（例如杂质）。

通常高分子材料的电导率 σ ＜ 10 － 20 ／ Ω·cm 以下，为绝缘体。但实际纤维的电导率 d ＜ 10 － 9 ／ Ω·cm ，即一般为 l0 － 20 ＜ σ ＜ 10 － 9 。

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原因在于纤维不是纯高分子物质，存在水分、杂质等其他分子物质，这导致了纤维的导电性比理论估计值高。并且，纤维的大分子上总是存在一些不稳定的极性基团和原子，而且并非所有的电子都是牢固地束缚在分子和原子上，因此总存在一定的载流子 ( 电子和离子 ) 。这种载流子在外界电场、温度和压力作用下会增多，甚至呈几何级数地增加。所以尽管说纤维是绝缘体，但其绝缘性质是一相对条件值，即具有一定的导电性。

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正是这些杂质（少量没有反应的单体、残留的引发剂和其它各种助剂以及高聚物吸附的水气）在电场作用下电离，为高聚物绝缘体提供了载流子的来源。

所以，一般认为高聚物绝缘体的电导是离子型的。在一些特殊情况下，某些外部因素也能引起高聚物非离子型的电导。例如，当测定电压较高时，从电极中可以发射出电子注入高聚物中而成为载流子。

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决定电导性的另一因素是载流子的迁移率。载流子在运动时由于相互碰撞以及同原子的碰撞会损失一部分能量，但同时又从外电场获得一部分能量，载流子的迁移率就取决于这两种速度间的平衡。迁移率与高聚物内部自由体积的大小有关。自由体积越大，离子的迁移率越大。电子和空穴的迁移率则相反，分子间堆砌越密，越有利于电子的跃迁，甚至可能产生丌电子云的交叠，形成电子的直接通道。

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纤维的导电主要取决于纤维中附属物，其次与纤维分子本身的导电性以及外界条件的作用有关。纤维的导电性指标 σ一般在 10 － 9～ 10 － 15／ Ω·cm 。在有抗静电剂，表层易电离物质较高以及水汽分压较大的情况下，纤维的导电性还会大大的提高，有时可达 10 － 7／ Ω·cm 。

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3 ．纤维导电机理的验证纤维中导电的主要物质来源于水分、杂质以及其他低分子

物质，而这些物质的主要电离或导电形式是离子。所以可以认为，纤维导电的主要机制是离子导电。

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首先区别一下电子导电和离子导电的一些特征。

（ 1 ）电子导电的特点是： ①分子的相互密集排列有利于

电子的“跳跃”通过，甚至能产生电子轨道的交叠，形成电子的直接通道而加快电子的迁移速度，即导电性增加；

图 1 霍尔效应原理图

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②光照物质时电子导电会产生明显的霍尔效应；（一块长方形金属薄片或半导体薄片，若在某方向上通入电流 IH，在其垂直方向上加一磁场 B，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差UH ，这个现象称为“霍尔效应”。 UH称为“霍尔电压”。霍尔发现这个电位差UH 与电流强度 IH成正比，与磁感应强度 B成正比，与薄片的厚度 d成反比，

即式中 RH叫霍尔系数，它表示该材料产生霍尔效应能力的大小。）

d

BIRU HHH

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③电子导电在电极两端不会产生电解物；④电子导电随着外界压力的增大，导电性增加；

⑤电子导电随着温度的上升，导电性开始变化不大，随后下降；

⑥电子导电的极化时间极短，可以说与时间无关。

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（ 2 ）离子导电的特点是： ①离子导电随分子问的空间增加而增大，即纤维的自由体

积越大，其导电性越好； ②离子导电在两电极端往往会产生电解物，即有明显的电

解沉积物； ③离子导电因本身导电载流子的体积较大，因此受空间位阻和约束较大，物质密度小，外界压力低，环境温度高，导电性好；

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④离子导电中，温度的增高对离子的产生和迁移速率的改变起着积极的作用，而对离子定向运动的热扰作用较小，所以温度上升可使纤维导电明显提高；

⑤离子的极化速度较慢，与时间有关。综上所述。根据温度的影响，压力（对材料加压）的作用，极化的快慢

程度，电解物的产生以及是否有霍尔效应，可以判断纤维的导电作用机制。这方面许多学者作了大量的工作，结果都证实纤维高分子材料导电的主要机制是离子导电，而电子导电为主机制的导电纤维材料很少。

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二、影响纤维导电性的因素

1．从电导率公式电离离子数 n看

清楚地看出影响电离载流子数 n 的因素是：① n0 为材料中固有的极性或可被电离的粒子数，该值显然直接取决于纤维中的含水、含杂量；②T为环境温度，当 T 值上升时，被电离的粒子数会显著增加，从而使电导率上升，电阻下降；③ ε为介电数，其值越大，离子数越多，导电越好；④ E0 为真空状态时的电离能，即粒子的最小逸出能，与材料的组成元素有关。显然 E0越小， n值越大。

0

0/(2 )

2

1 E kT

nn

e

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2．从电导率公式离子迁移速率 μ看

：离子的振动频率：离子的活化能 a：离子每次迁移的距离 q ：离子的电荷量

从式中可以看出，纤维材料的导电性受离子的自振频率、所带电荷量 q 、一次迁移距离的平方 a2 、离子发生迁移的活化能以及温度的影响。显然除了温度的影响与电离数 n 存在共性外，其他参数均有自己的特性。

2

exp( )6

vqa u

kT kT

v u

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3 ．从通常因素看纤维的结构因素： ①纤维的相对分子质量或聚合度，纤维大都为线型大分子构成，故相对分

子质量大→聚合度大→链长→电子通道的连续性强→电子导电性好；而正由于相对分子质量大→端基数、游离基的分子少→离子导电少。纤维以离子导电为主，故相对分子质量的增大，导电性下降。

②纤维的聚集态结构，随着纤维的结晶度和取向度的增加→纤维自由体积减少→各向异性增大→离子导电性下降，导电的各向异性增大。尽管紧密结构和直通通道对电子导电有利，但纤维的主要导电机制是离子导电。

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杂质与空隙：纤维的导电为离子导电，杂质的增加有利于增加可电离的粒子数 n0 ，并可使N增加，由此提高纤维的导电性。杂质的作用可见图 4—2 所示。而空隙的增加有两方面作用，一是为离子的迁移提供了较多的空间或通道，使离子的运动速度提高；另一是空隙的增加有利于水分子的进入和极性分子在空隙表面的存留，这都有利于导电粒子的增加，故也能提高纤维的导电性。

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温度与湿度：温度和湿度的定性讨论已在前面叙述过，其经验公式的定量讨论有下述几种。

（ 1 ）相对温度的作用： Hearle 讨论了纤维素纤维和羊毛与蚕丝，得出电阻与温度的关系为

式中， a、 b 、 c 为常数，M为含水率积分得：

式中， R0 为含水率M＝ 0 时的电阻值。 Clark和 Preston对粘胶、蚕丝和尼龙的实验也得到了同样的结果和方

程。

(lg )d Ra bM cT

dT

20lg lg ( )

2

cR R a bM T T

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（ 2 ）相对纤维含水的作用：同样由 Hearle 的结果可得

式中， Rm 为纤维的质量比电阻，M为含水率， n 、 k为常数。

（ 3 ）与相对湿度的关系：相对湿度 RH 与质量比电阻存在下述关系

式中， a、 b 为常数。

nmR M k

lg mR aRH b

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三、纤维导电性的测量与表征

纤维导电性可以通过理论的求解来表征，如前（ 4－ 1 ）式的电导率 σ值，也可以通过实测计算的方法求得，主要有下列三类指标。

1．表面比电阻（ Surface Specific Resistance ） SSR

其定义为电流在通过纤维表面时，所呈现出的电阻值，用单位长度上施加的电压（电场强度 E ）与单位宽度上流过的电流（电流线密度）的比值来表示。其测量对象一般为薄膜或纤维层。

式中， Rs 为表面电阻值

/

/s s

U l hR

I h l

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理论和实用上这种表征与测量均较容易。但本质上要完全测量薄膜的表面比电阻，而无电荷向内层的迁移影响是不可能的。这种情况尤其对于纤维材料来说无法避免。但由于其测量的特点和表面附着物及表面态的影响，故这种方法的主要导电机制仍是表面作用。

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对纤维网的表面比电阻测量显然受纤维网中纤维的排列方式的影响，不同排列的纤维网会造成表面比电阻测量值的变化，实际测量结果如表 4—2 所示。

此特征反映了纤维导电途径的变化，平行纤维束的导电途径短，为直线距离作用。而非平行的纤维束导电途径长，当电流方向完全于平行纤维束垂直时，其导电作用发生变化，主要依赖于纤维间的相互接触。这时的传导不仅有表面而且有纤维体内的导电。

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纤维以不同方向排列时，纤维网的表面比电阻，应该是沿纤维

轴方向直接传导的表面比电阻和垂直纤维轴方向靠接触点传导

的表面比电阻的并联和，即

式中，为纤维网的排列密度； h 、 x见图 4～ 8。显然，垂直

纤维轴方向传导的表面比电阻与纤维网的排列密度有关，

决定了接触点的量与方式。

( )s //s

( )s

//1(1 ) / ( ) / ( )s s

s

x x

h h

( )s

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2．体积比电阻 (Volume Specific．Resistance)VSR 其定义为电流通过纤维体内时所呈现出的电阻值，用单位长度上施加

的电压（电场强度 E ）与单位面积内流过的电流 ( 电流面密度 ) 的比值来表示

由于其几何尺寸包括截面 S 与长度，又是材料体内的导电性，故其称为体积比电阻。

/( )

/v v

U l SR cm

I S l

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体积比电阻就是前面所提的电阻率公式。这种表达法，对单纤维测量在理论上是可行的，实测中极难做到。通常采用将纤维集合体填入截面为 S 、长度为的箱内进行测量。这样就存在一个填充密度（或空隙率）和表面体内电阻的混合效应。因此需引入一个合适的表达方式。

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3．质量比电阻 (Mass Specific Resistance)MSR 在一定电场下，电流通过随机排列的纤维集合体时，以单位线密度（ te

x）流过的电流所呈现出的电阻，称为质量比电阻。其用体积比电阻和被测纤维的密度乘积来表示。即

实际上与一致。所以引入质量比电阻，可以很方便地将纤维密度的影响排除在测量

之外。整个实测过程只需制作一个一定质量W的纤维塞，放入一个截面和长度一定的容器中，测量该纤维塞的电阻值R（ R＝ Rv）即可。

/

/( / )m v

U l

I W l

2 2

1v v v v

S S l WR R Rl l l

2v v v

S WR R

l l

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