導電性纖維與複合材料 之製作與功能性研究 逢甲大學纖維與複合材料學系紡織與材料工業研究中心有機與無機複合材料實驗室鄭國彬教授 2018 年 09 月 01 日 1
研究目的與動機 1. 導電導磁紡織品 ( 織物 薄膜與複合材料 ), 一直是國內外機能性紡織品甚至是工業用 交通用 電子用與軍事用紡織品之研究重點之ㄧ 2. 目前國內外之導電導磁紡織品 ( 織物 薄膜與複合材料 ), 由於單價高昂 耐水洗性不佳 抗氧化性差 終端用途不夠明確與少有連續化之生產製程等, 因而激發本團隊研發此主題之動機 3. 可彈性調整導電導磁紡織品 ( 織物 薄膜與複合材料 ) 之功能性與機能性, 以因應市場之變動 4. 整合本研究團隊過去所累積及現有研發導電導磁資源, 如研究群 共同貴重儀器中心 及院系實驗室, 以提升區域產業之研發能力與競爭力 5. 歷年來本校院系所持續配合國內外之發展趨勢主流, 如結合奈米科技在功能性與機能性纖維 薄膜 高分子與複合材料 軟 2 性物質之表面處理等方面上之應用研究發展
EMC=EMS+EMI 3
EMC=EMS+EMI EMI (Electro-Magnetic Interference) 電磁波干擾, 指機器產生的電磁波, 干擾其他機器所產生的誤動現象 EMS (Electro-Magnetic Shielding) 電磁屏蔽, 是指當機器或設備在運轉時所產生的電磁波, 可用電磁波屏蔽材料將其所產生之雜訊與電磁波產生吸收 反射與多重反射之作用, 使其避免產生的誤動現象 EMC (Electro-Magnetic Compatibility) 電磁相容性, 是指每一台機器在運轉時, 不會同時對其它機器產生電磁干擾, 或萬一受到其它電磁波干擾也不會產生機器誤動 的現象 4
電磁波干擾三大要素 : 5
小型電氣用品 ( 一般家電用品 ) 高頻波利用設備 電力設備 電磁波干擾之分類及產生源 分類干擾產生原因干擾產生裝置 附接點電氣機器 整流電動機應用機器 放電管 半導體使用的控制裝置工業用高頻波利用設備 高頻波醫療設備 高頻波應用設備 電力線 ( 輸配電線 ) 放電雜訊 ( 火花 電弧 ) 放電雜訊 ( 火花 電弧 ) 滑動 接觸雜訊 輝光放電 相位控制雜訊 ( 暫態雜訊 ) 無需要信號 * 無需要信號 * 無需要信號 * 高電壓 大電流 點滅器 ( 霓虹燈 美術燈泡 ) 電驛 電磁接觸器 恆溫器 ( 電腳爐 電座氈 電冰箱 電熨斗 ) 電鑽 縫紉機用電動機 電清潔機 電果汁機 電理髮器 電按摩器日光燈 霓虹放電管 高壓水銀燈 閘流體調光器 變頻器 工業用高頻波加熱裝置 高週波電熔接機 微波爐 UHF 治療裝置 UHF 治療裝置電手術刀探傷機 探深機 魚群探知機 超音波洗淨機 商用頻率感應 ( 靜電感應 電磁感應, 大地漏電流 6)
電力設備 內燃機 無線通訊設備 核子爆炸 電磁波干擾之分類及產生源 分類干擾產生原因干擾產生裝置 電力線 ( 輸配電線 ) 電鐵路 汽車 大電力送信裝置 接收機 電磁脈波 (EMP) 高電壓 大電流 商用頻率感應 ( 靜電感應 電磁感應, 大地漏電流 ) 電暈雜訊 絕緣不良絕緣放電雜訊器 金屬腐蝕引起不完全 ( 電暈 電弧 ) 接觸 ( 電弧放電 ) 放電雜訊 滑接輪離線 車內機器 ( 火花 電弧 ) 整流器 反射 車體引起的反射 放電雜訊 點火系統 各種 發電機 電壓調整器 刮水器 喇叭 方向指示器 信號放射 * 廣播機 雷達裝置 不必要放射 發射機的高諧波 不必要放射 TV 接收機 ( 電視機 ) FM 收音機 AM 收音機 由核子爆炸的周圍產生離子化氣體的影響, 地磁場 7 突然受到畸變, 變成消失狀態, 此種時間性積分,
電磁波遮蔽理論 Ei SE 20 log 20 log E Hi Ht Ei & Hi: 入射電場 & 磁場強度 (V/m) Et & Ht: 穿透電場 & 磁場強度 (V/m) t SE=R+A+B(dB) R: 反射損失 (db) A: 吸收損失 (db) B: 多重反射損失 (db) 8
反射損失 R(dB) R (db) =168+10 log 10 (σ r / f μ r ) σ r : 表示銅的相對導電係數 f : 為入射頻率 μ r : 表示銅的相對導磁係數 多重反射 M(dB) M db =20 log 10 1-e -2t/δ e -j2t/δ δ: 表示表層深度 t : 表示屏蔽材料的厚度 若此屏蔽材料的厚度大於表層厚度很多, 則多重反射和傳導可以被忽略 一般織物厚度為 2~3mm 9
吸收損失 A(dB) A db =20 log 10 e t/δ =3.338*t f r r (t 英吋 ) =1.314*t f r r (t 公分 ) t : 表示屏蔽材料的厚度 σ r : 表示銅的相對導電係數 f : 表示入射頻率 μ r : 表示相對於銅的導磁係數由上列公式可表示吸收損失會隨著材料厚度, 入射頻率, 相對導電係數和相對導磁係數平方根的增加而增加 10
導電應用材料與表面電阻係數範圍應用 AATCC-76 11
電磁屏蔽效率的等級區分 db attenuation Comments 0-10 Very little shielding 10-30 Minimal Shielding 30-60 Average 60-90 Above average 90-120 Maximum to beyond existing state of art 12
導電針織物表面電阻 體積電阻及導電率之測試 日本三菱化學公司 LASESTA-GP600 型之低電阻係數測試儀 JIS K 7194 13
同心圓電阻測試儀 (ASTM D-257) 14
表面電阻係數之測試 表面電阻係數測試儀 測試試片 15
SSA/PU 導電微粒原料之添加量改變對表面電阻係數之影響 表面電阻係數之平均值 (Ohm/square) 表面電阻係數之標準偏差值 (Ohm/square) 表面電阻係數之變異係數 (CV%) SSA 68.8% 3.096*10 8 0.171 5.51 SSA 61.5% 3.280*10 8 0.318 9.72 SSA 50.0% 3.350*10 8 0.150 4.49 SSA 41.2% 3.522*10 8 0.150 4.27 SSA 28.6% 3.654*10 8 0.111 3.03 16
電磁波屏蔽效益 (EMSE) 之測試 同軸傳輸測試儀 ASTM ES 7-83 (Coaxial Line Transmission Holder) 金屬化高分子聚合物, 導電性窗戶 織物 被覆物 格網 複合材料及其他材料電磁波屏蔽效益之測試 17
示波器 靜電槍 18
靜電放電衰減率測試 靜電放電衰減率計算公式可求其最大靜電放電衰減率其公式如下 : ATTmax= (OVmax-CVmax)/OVmax *100 % ATTmax : 最大靜電放電電壓的 衰減率 OVmax : 未遮蔽時靜電放電電 壓之原始最大值 CVmax : 遮蔽後之最大靜電放電 電壓 19
Electorstatic Discharge Voltage(V) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-0.4 4kV 原始值 M07 50% 1 16 31 46 61 76 91 106 121 136 151 166 181 196 211 226 241 Nano Second 導電性 PU 薄膜 (M07 50%) 靜電放電曲線圖 20
靜電半衰減期測試儀 1. 針極部 2. 受電部 3. 旋轉盤 4. 試樣裝配筐 21
不鏽鋼 (SSA) 導電微粒原料添加量之改變對靜電半衰期之影響 試 驗 試驗結果 項 目 SSA 66.8% SSA 61.5% SSA 50.0% SSA 41.2% SSA 28.6% 靜電半衰期 (Sec) 1.70 0.43 0.87 2.72 1.38 22
導電與抗靜電纖維之製造方法 無機導電纖維 (SS, Cu, Al, Ag, Ni, etc) 有機導電纖維 (Pyrole, PolyAnealine Coated) (1). 紡織纖維鍍金屬 (2). 紡織纖維鍍碳 (3).CB, Graphite, Metal, Metal Oxidant Compound with polymer then spinning (4).Conductive polymer spinning directly (5).HIPIMS, GFS, AIP, CVD 碳纖維 氧化纖維 石墨纖維 Finishing ( 金屬纖維包覆 表面鍍膜加工 ) 23
有機導電纖維 ( 有色系 ) 1. 日本帝人 德國 BASF 公司於 1960 末期開發表面塗佈碳黑之導電纖維 2. 1975 年美國杜邦公司用複合紡絲技術製成 PET/CB 之 SKIN & CORE 結構之 Antron III 導電纖維 3. Monsanto (Utron), 鍾紡 (Belltron) 尼龍,Unitika (Megana),Kuraray (Kuracarbo), 東洋紡 (KE-9) 4. Rohm and Haas 公司用化學電鍍法在尼龍纖維表面鍍銀製成之 X-Sattic 導電纖維 5. 日本東洋紡公司用 PET 纖維浸漬於低溫熔融態金屬中以製成 Skin 導電纖維 6. Statex 公司用非電解鍍銀技術在 PET 纖維表面鍍銀製成之 Ex-Stat 導電纖維 24
淺色系列之有機導電纖維 1. 1980 年開始淺色系列導電纖維之研究 2. 係採用 Cu, Ag, Ni, 鎘等金屬的硫化物 碘化物或氧化物與 Polymer 共混獲複合紡絲而製成導電纖維 3. Rhone-poulene 公司利用化學反應製成 CuS 的 Rhodiastat 導電纖維 4. 日本帝人公司製成表面具有 Cu 之 T-25 導電纖維 5. 日本鐘紡公司製成 PET/ZnO 2 的 Belltron 632, 638 導電纖維 ; 鬚狀之 TiO2 加入至 PET 纖維內部 6. 導電效果較 CB 系列者為差, 但其應用不會受到顏色之限制 7. 有機導電纖維之應用包括一般成衣服飾用原料 地毯 ; 無塵室服裝 半導體工業 電子電機工業 醫學工程 生物工程等領域之防塵 防靜電 防爆工作服 8. EMS 與 EM 吸收材 電熱製品及工業用濾材 25
無機導電纖維 1. 公元前 150-612 年在 Persia & Assyria, 即有以金絲與銀絲運用於家飾用紡織品 2. 先將金屬薄膜延伸在剪切成帶狀甚至再加撚成絲狀纖維紗 3. 英國紡織協會定義一種由金屬 塑膠塗佈金屬或由一金屬塗佈塑膠或由一個芯部完全為金屬所包覆之物品所製成之纖維 4. 無機金屬纖維具備有導電性 耐熱 耐腐蝕佳等優點但其可紡性 柔軟度差及顏色與價格受限 5. 碳 鉻 鐵 鎳 銅 鋁 錳與矽等主要元素組成不銹鋼纖維 26
改變粉末種類對表面電阻係數之影響 * 分散劑為甘油的 5% PU 複合薄膜 27
改變分散劑種類對表面電阻係數之影響 * * 5% E-600JD/PU 複合薄膜 28
改變分散劑種類對導電率之影響 * 5%E-600JD/PU 複合薄膜 29
改變碳黑粉末含量對表面電阻係數之影響 * 分散劑為甘油的碳黑 /PU 複合薄膜 30
不同比例 E-600JD 與 SSAB 和 SSAR 含量對 表面電阻係數之影響 * 分散劑為甘油的 5%E-600JD-SSA/PU 複合薄膜 31
改變碳黑 /PU 導電薄膜膜厚對表面電阻係數之影響 * 分散劑為甘油的 5% 碳黑 /PU 複合薄膜 32
改變碳黑含量對導電率之影響 * 分散劑為甘油的碳黑 /PU 複合薄膜 33
改變碳黑 /PU 導電薄膜膜厚對導電率之影響 * * 分散劑為甘油的 5% 碳黑 /PU 複合薄膜 34
改變粉末種類對 5%PU 複合薄膜靜電放電電壓之影響 粉末種類 CVmax (V) 無 3.92 NANO 52 3.44 NANO 22 3.66 蛇紋石 3.54 Fe 2 O 3 3.36 EC-300J 3.02 E-600JD 2.78 * 分散劑為甘油的 5%PU 複合薄膜 35
改變碳黑 /PU 薄膜厚度對最大靜電放電 電壓衰減率之影響 * * 分散劑為甘油的 5% 碳黑 /PU 複合薄膜 36
在家用電器頻率範圍內電磁波屏蔽效益之關係圖 * EC-300J E-600JD * 分散劑為甘油的 5% 碳黑 /PU 複合薄膜 37
在手機頻率範圍內電磁波屏蔽效益之關係圖 * EC-300J E-600JD * 分散劑為甘油的 5% 碳黑 /PU 複合薄膜 38
近年來對電磁波輻射之屏蔽方法 1. 以纖維製品的電磁波屏蔽用製造方法外如 : 紡紗法 梭織法 針織法 非織法 印染法及整理法等, 2. 先端電磁波屏蔽用高分子製品的製造方法如 : 蒸鍍法包含 ( 物理蒸鍍法 (PVD) 化學蒸鍍法 (CVD) 微粒子被覆法 離子電鍍 濺鍍法 聚合物混摻法 (Polymer blend) 等 3. R2R HIPIMS GFS AIP 可應用在紗線 織物 薄膜 複合材料 金屬箔 金屬材料及高分子結構材料等 4. 以電子印刷 (Electronic Printing) 之技術, 將導電與導磁物質印製在軟性物質上如紗線 織物 薄膜 複合材料 金屬箔 金屬材料及高分子結構材料等 39
紡紗法 : 以不銹鋼 鎳 鋁 銅或鈷等導電短纖維及長絲纖維, 與合成短纖維經由短纖紡紗系統或複合式紡紗系統紡製而成電磁波屏蔽用紗, 並為提昇織造效率再經由環錠撚線機 二合一撚線機或中空錠子式精紡機撚合成雙股紗之型態 以開端式摩擦精紡機導電包芯紗係以不鏽鋼與 Kevlar 49 短纖維為表層紗配合芯部之不鏽鋼線紡製成導電包芯紗 梭織法 : 採用金屬導電複合紗為經 緯紗原料, 運用半自動梭織打樣機並配合電腦打樣程式系統與穿綜 穿筘技術將其織製成單層與多層梭織物結構的電磁波屏蔽用纖維製品 經紗以兩至三根金屬導電複合紗穿成一筘, 緯紗以金屬導電複合紗與一根長纖紗交互投緯, 以期達到導電與機械性質兼具之複合梭織物結構 40
往昔與先端電磁波屏蔽用纖維製品 製造方法之比較 1. 先端電磁波屏蔽用產品僅須於基材表面塗覆一層薄膜, 與往昔電磁波屏蔽的織物厚度相較, 往昔產品較先端產品的厚度大很多, 如此將影響產品的成本 水洗再現性與柔軟度 2. 往昔產品製程只需要利用現成之設備, 經原料之慎重選擇, 即將適用之金屬粒子混參於高分子熔液內再經熔融式 濕式或乾式紡絲法將其製造成導電性纖維製品 3. 傳統製造方法對於傳統紡織業無須花費大量的設備及技術訓練費用即可實際投入生產, 但是環境污染問題亟需解決 4. 先端的電磁波屏蔽用產品則須要較先進的生產設備及技術訓練費用, 且除設備的費用成本高外, 污染的處理 工業安全皆是一大問題 5. 先端產品製程方面已經可以連續生產 (R2R), 因其需在真空環境中製造, 因此較高價之設備成本必須考慮 目前逢甲大學已經有 HIPIMS GFS AIP 等軟性物質之表面處理技術 41
結論 1. 導電性梭織物隨著不銹鋼短纖維含量的增加, 表面 體積電阻係數有逐漸降低之, 而導電率有逐漸增加之趨勢, 且其與電磁波屏蔽效益成正比之關係 2. 導電性梭織物電磁波屏蔽效益, 將隨不銹鋼短纖維含量 層數 厚度 入射頻率與經緯密度的增加其屏蔽效益有較佳之趨勢 3. 本導電梭織物可作為靜電放電之防治 靜電散失材料電磁波遮蔽材料且兼具強度 韌性等之用途 如過濾用的織物, 彈藥庫房裡的抗靜電織物以及汽車與飛機內裝材等織物 4. 逢甲研究團的 HIPIMS GFS AIP 等軟性物質之表面處理技術, 已經有優越之電磁波屏蔽效益 導電 42 性及耐腐蝕性