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（整期优先）网络出版时间：2024-06-29

作者: 程长

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不同导电粉末掺杂对合成革超纤导电性能的影响分析

程长

上海华峰超纤科技股份有限公司

摘要：近年来，随著电子产品和智能穿戴设备的快速发展，对具有优良导电性能的合成革超纤材料的需求日益增加。传统合成革材料由于其本身的绝缘性质，无法满足这些新兴应用的需求。因此，通过在合成革超纤材料中掺杂不同类型的导电粉末，如碳黑、炭黑烯、碳纳米管等，来提升其导电性能成为研究热点。本研究通过系统分析不同导电粉末掺杂对合成革超纤导电性能的影响，旨在为未来相关材料的开发提供理论基础和实验数据支持。结果表明，不同导电粉末的掺杂比例和分布均匀性对材料的导电性能有显著影响。

关键词：不同导电粉末掺杂；合成革超纤；导电性能；影响分析

引言：随着科技的进步和电子设备的普及，市场对高性能导电材料的需求不断上升。合成革超纤作为一种新型材料，因其优异的力学性能和柔软的质感，广泛应用于服装、电子设备外壳等领域。然而，传统的合成革材料由于其导电性能较差，限制了其在智能电子产品中的应用。为了提升合成革超纤的导电性能，研究人员尝试通过掺杂不同类型的导电粉末来改性材料，这不仅可以赋予材料新的功能，还能拓宽其应用范围。因此，深入研究不同导电粉末掺杂对合成革超纤导电性能的影响具有重要的科学意义和应用价值。

一、导电粉末种类及特性

（一）金属类导电粉末

导电性是合成革超纤材料中一个重要的性能指标，而金属类导电粉末的掺杂对其导电性能有着显著的影响。金属类导电粉末的种类多样，例如银粉、铜粉、铝粉等，它们在合成革超纤中的掺杂会对导电性能产生不同程度的影响。以银粉为例，银粉是一种常用的导电粉末，具有优良的导电性能和化学稳定性。将银粉掺杂到合成革超纤中，可以显著提高材料的导电性能，使其具备良好的导电特性，适用于需要较高导电性能的场合，如制作导电布料或导电袋等。银粉的导电效果稳定，且对材料的柔软性影响较小，因此在合成革超纤中的应用较为广泛。相比之下，铜粉虽然导电性能优良，但其在合成革超纤中的掺杂会对材料的柔软性产生一定影响，导致材料硬度增加。因此，在选择导电粉末时需要权衡导电性能和材料的柔软性，以满足不同应用场景的需求。

（二）碳基导电粉末

碳基导电粉末是一种常用的导电填料，能够有效提高材料的导电性能，使其具备导电功能，其中，碳黑、碳纳米管和炭黑烯是常见的碳基导电粉末。

碳黑作为一种传统的导电填料，具有较高的导电性能和良好的导电稳定性。在合成革超纤中加入适量的碳黑粉末，可以使材料的导电性能得到有效提升，同时保持材料的柔软性和弯曲性。例如，通过掺杂碳黑粉末，合成革超纤可以用于制作具有导电功能的服装、配件等产品，实现电子设备与材料的无缝结合。

碳纳米管作为一种具有优异导电性能和机械性能的导电填料，能够在合成革超纤中形成网络结构，有效提高材料的导电性能。掺杂碳纳米管粉末还可以增强合成革超纤的强度和耐磨性，使其在电子产品、汽车内饰等领域具有更广泛的应用前景[1]。

炭黑烯作为一种二维碳材料，具有高导电性和优异的机械性能，能够显著改善合成革超纤的导电性能和机械性能。通过掺杂适量的炭黑烯粉末，合成革超纤可以实现更高的导电性能和柔韧性，广泛应用于电子产品、智能穿戴设备等领域。

（三）金属氧化物导电粉末

在合成革超纤导电性能的研究中，金属氧化物导电粉末的掺杂是一个值得关注的方面。金属氧化物导电粉末的种类多种多样，包括但不限于氧化锌、氧化铜、氧化铝等。这些导电粉末的掺杂对合成革超纤导电性能的影响是多方面的。

首先，金属氧化物导电粉末的掺杂可以显著提高合成革超纤的导电性能。以氧化锌为例，其在超纤基质中的分散均匀性能够有效增加导电通道的形成，从而提高整体的导电性能。这种改善可以使合成革超纤更有效地导电，为其在电子设备等领域的应用提供更广阔的可能性。

其次，金属氧化物导电粉末的掺杂还可以改善合成革超纤的稳定性和耐久性。通过掺杂金属氧化物导电粉末，可以增加超纤材料的耐磨性和耐高温性，使其在复杂环境下的导电性能更加稳定可靠。这种改善有助于扩大合成革超纤在工业应用中的范围，提升其整体性能表现。

此外，金属氧化物导电粉末的掺杂还可以影响合成革超纤的外观和手感特性。不同种类的金属氧化物导电粉末对超纤材料的颜色、光泽和手感等方面都有不同的影响，有的可能使合成革超纤更具金属质感，有的则可能使其更接近自然皮革的触感，因此在设计制备合成革超纤时，需要根据具体应用需求选择适合的金属氧化物导电粉末进行掺杂。

二、实验方法与结果

（一）实验设计

针对不同导电粉末掺杂对合成革超纤导电性能的影响进行实验设计时，首先需要明确实验的目的和步骤。在实验设计中，应当考虑到导电粉末的种类、掺杂比例、混合方法以及性能测试等因素。

为了比较不同导电粉末对合成革超纤导电性能的影响，可以选择常见的导电粉末如碳黑、改性导电粉末等进行掺杂；在实验中，设置不同比例的导电粉末掺杂样品，比如分别对照碳黑掺杂3-10%、改性导电粉末10-30%等情况，以观察不同掺杂比例对导电性能的影响。

混合方法也是实验设计中需要考虑的重要因素，现采用溶液预泡-机械分散-混合机械搅拌等方法，以确保导电粉末与超纤能够均匀混合。使用全含浸挤压浸泡法使得混合料重复进入超纤无纺布中，使用刮除法模拟生产线刮除表面，使得成品浸渍料在可控范围内。

。对于性能测试，可以通过导电性能测试仪器对不同样品进行测试，比如电阻率、导电率等性能参数，以量化不同掺杂情况下的导电性能差异[2]。

（二）样品制备

样品制备选取500-600克无纺布作为含浸底材，烫平密度控制在0.31±0.01克每立方厘米，无纺布需要克重均匀，无明显棉结、铺网印、针剂等异常，以确保后续实验的准确性。

含浸配料首先选取不同类型的导电粉末进行预泡，预泡分散液固含量为50%，时间为2小时，使用高速搅拌器持续搅拌，搅拌转速设计在600-1200转/分钟。待分散液分散完毕，按照设计比例添加纯聚醚系列树脂，如使用PTMEG合成的JDY-HF-4050系列，设计聚氨酯固含量18±1%，待分散液与树脂按比例添加后，使用高速分散机进行混合分散。

含浸阶段使用小浸渍线模拟上机，浸渍槽内压力0.1Mpa，车速设计2±0.3米，然后使用刮刀刮除表面多余聚氨酯，随后进入凝固阶段，凝固阶段设计凝固浴浓度40±2%.

凝固完毕后进行甲苯减量工序，减量流量车速按照4m/min，甲苯流量按照12m³/h，甲苯槽压力1.0，减量完毕后使用扩幅烘干，温度设定135，车速5-6米，烘干后得到1.3-1.4的导电基布。

最后，在制备完成的样品上进行表面处理，使用400目砂纸进行两面磨皮，转速设计1000-1200，车速15米，两面各磨2遍，以确保样品表面平整光滑，避免在后续测试中因表面粗糙度等因素导致误差。

通过以上详细的样品制备过程，可以确保后续对不同导电粉末掺杂对合成革超纤导电性能影响的研究具有可靠性和可重复性，为进一步的实验和数据分析提供坚实的基础。详见图2，样品制备流程图。

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图2，样品制备流程图。

（三）测试方法

本实验采用四探针测试法进行导电性能测试。该方法是通过在材料表面施加电场，测量材料表面的电阻率来评价其导电性能。具体操作步骤为：将合成革超纤样品固定在测试台上，使用探针夹住样品四个角，通过电流源施加电流，同时使用电压表测量样品表面的电压差，从而计算出电阻率。

选取了不同的类型导电粉末作为掺杂剂，分别为导电炭黑粉、导电改性云母粉和导电改性金属氧化物。分别将这些导电粉末按照一定比例掺杂到合成革超纤中，制备出多种不同掺杂比例的样品。

测试结果表明，随着掺杂比例的不断增加，合成革超纤的导电性能逐渐提高。其中ATO改性金属氧化物（N0-3000C/N0-404/N0-100B)在添加量达到20-30%左右可以达到10-5次方，导电云母粉等产品在40-50%份才能达到。此外，不同结构的改性产品对导电性能也有影响，针棒状由于在树脂中容易搭接，形成稳定的导电通道，使得其添加量较常规的要小。由此可见，不同导电粉末掺杂对合成革超纤导电性能的提升效果存在差异。

三、结果分析与讨论

（一）不同导电粉末掺杂比例的影响

在研究合成革超纤导电性能时，不同导电粉末掺杂对其影响是一个重要课题。使用ATO系列改性金属氧化物系列与改性云母粉以及改性二氧化钛时候，ATO改性的比云母粉和二氧化钛要更优异，在掺杂比例从10%逐渐增加至20%时，合成革超纤的导电性能呈现出增强的趋势。而云母粉和二氧化钛需要添加到40份左右才能达到此效果。并且NO-3000C系列较100B以及404均呈现添加量小的结果，从电镜分析，3000C系列为针状导电粉末，在树脂体系中为搭接状态，针状系列的会优于常见片状或者颗粒状材料。

（二）导电性能随掺杂浓度的变化

导电性能随着掺杂浓度的变化呈现出一定规律。所有导电系列粉末，随着其掺杂浓度的增加，合成革超纤的电导率逐渐提高。然而，当掺杂浓度达到一定阈值时，电导率的增长速度开始减缓，甚至出现饱和的现象。这表明掺杂浓度并非越高越好，合适的掺杂浓度能够最大程度地提升导电性能[3]。