皮革高分子材料电学性能的研究进展

周晨，杨巍（山东大学材料科学与工程学院，山东济南250002）

皮革高分子材料电学性能的研究进展

周晨，杨巍
（山东大学材料科学与工程学院，山东济南250002）

摘要：导电高分子材料自发现以来，相关研究日新月异。导电高分子材料因为具有比金属材料密度低、可加工性好及能量密度大等优点，获得了研究人员广泛重视。本文介绍了皮革高分子材料在导电机理、电学性能应用等方面的研究进展。

关键词院皮革；导电；机理；电学性能

前言

通常认为，聚合物是良好的绝缘体，例如在电力行业中常见包覆导体的塑料。这一传统观点，在美国加州大学的Alan Heeger、美国宾大的Alan MacDiarmid、日本筑波大学的Hideki Shirakawa于20世纪70年代合作发现导电聚合物以来得以改变，因为发现通过化学掺杂或者是电化学掺杂可以使聚合物电导率急剧提升至铜等良导体的数量级，他们也因此共同获得了2000年的诺贝尔化学奖。这一伟大科学发现，毫无疑问地促使产生一系列电子信息工业的改革创新，比如导电聚合物可以制造出用于计算机的塑料电子产品和塑料电池，这为电脑进一步微型化和硬件方面的革新创造了条件[1]。有机电子学的时代已经到来，它显著地改变和革新着人类的生活，例如近年来得到广泛研究的用于电动汽车的塑料电池材料，目前的研究包括聚乙炔、

吩噻嗪、聚丙烯腈等聚合物材料。因为聚合物材料具有密度低、能量密度大、可加工性强、环保性好等金属材料不具备的优点[2]，而得以成为最近的研究热点。本文将就近年来皮革高分子材料在电学性能方面的研究情况以及在电学方面的应用情况进行介绍。

1　皮革的导电机理及影响电导率的因素

1.1皮革导电机理

研究表明，皮革高分子材料内部既没有金属导电时所需的自由电子也没有半导体导电时所需的电子、空穴，其导电机理为内部的阴离子和阳离子在外加电场的作用下产生定向移动，因此皮革高分子材料属于离子导电型聚合物。皮革内部结构为在三维空间编制而成的胶原纤维，皮革微观结构中含有较多的微孔和空隙，在皮革必经的鞣制等加工制作中不可避免的引入铬离子、氢离子、钙离子以及碱基、羧基等极性基团。这些皮革中存在的阴、阳离子，极性基团在正常情况下电荷相互平衡、抵消，对外不显电性；但在外加电场作用时，皮革内部阴、阳离子会定向移动，从而具有一定的导电性能。

张方晖[3]通过对导电有机材料载流子输运原理的研究，得出了以皮革为代表的离子型导电有机材料电导率的一般公式（（1）式）：

一般情况下，（1）式可简化为（2）式：

（3）式为温度对皮革材料电导率影响，（4）式为压强对皮革材料电导率的影响。（4）式中，K为与皮革材料有关的常数，为压强，0为压强为零时的电导率。此外，张方晖通过对铬鞣猪皮鞋面革、牛皮鞋面革、绵羊皮服装革三种材料伏安特性曲线的测定，发现上述三种材料的电导率大于绝缘体而小于导体，属于半导体的范畴。

作为音乐剧，《茉莉》展现的时间跨度很长，从1941年直至2017年。曾先生创造性地将一个时代的变迁浓缩到两对恋人的情感旋涡中，由两条交织的情感线将抗日时期、内战时期、两岸的对立时期直至现今，清晰地展现在观众面前。男主人公雨泽与女主人公小茉莉的爱情作为该剧的情感明线贯穿于全剧中，她们的相识、相恋正是当代海峡两岸的主流意识，它是阳光的、充满希望的。这样的剧情设置恰好提供了音乐剧创作所需要的时尚、流行的元素，作为《茉莉》的作曲，我在这些桥段的创作中是充满了喜悦与满足的。

孙立蓉等[4]研究了皮革材料在外加电场作用下离子位移极化率的影响机理。皮革材料内部微观结构中存在着离子键、氢键、范德华力等，当皮革材料处于外加电场作用时，内部结构中羧基和碱基等极性基团将产生离子位移极化现象，皮革高分子材料作为离子导电型聚合物，其位移极化率n可表示为（5）式：

罗晓民等[5]研究了皮革材料在外加电场作用下，皮革材料内部羧基、碱基等极性基团产生偶极子转向极化的机理。研究表明，生皮在制作加工过程中在酸性和碱性处理条件下，内部结构中原来存在的离子键、氢键交联失效，随之产生偶极矩。在正常状态下，皮革中的偶极子方向任意，宏观不显电性；在外加电场作用时，皮革

材料中偶极子转向与电场线方向相同，从而产生偶极子转向极化现象。皮革材料中偶极子转向极化率可用（6）式表示：

1.2皮革导电性能的影响因素

温度对于皮革导电性能的影响由（3）式可知，随着温度的升高，皮革电导率上升。当温度上升时，皮革内部结构中的阴、阳离子的能量升高，热运动更为活跃，从而更容易突破定向迁移过程中存在的能垒，因此皮革的电导率随着温度的升高而逐渐提高。

环境湿度对于皮革导电性能的影响表现为：随着环境湿度的增加，皮革导电率增加。张武勤[6]研究了环境相对湿度对铬鞣山羊革、植鞣山羊革、铬植鞣山羊革导电性能的影响，结果表明：当相对湿度在25% ～50%之间时，皮革电导率随相对湿度的增加而缓慢增加；当相对湿度大于50%时，皮革电导率随相对湿度的增加而快速增加。环境湿度增加，皮革材料中含水量随之增加，当含水量增加时，皮革内部阴、阳离子的导电能力增强，因此皮革材料电导率上升。

2　皮革电学性能的应用

2.1抗静电皮革

在工业生产和人类日常生活过程中，静电是一个不可被忽略的影响因素。在工业生产中，每年静电作用都会造成数目不小的经济损失；在日常生活中，因为衣饰存在静电荷而引发触电更是十分常见。目前抗静电皮革皮革材料的研究，主要采用的方法是对皮革表面进行表面活性处理剂处理来抑制静电荷的产生，或者促进静电荷的引导排出，从而消除静电带来的不利作用。但是，上述方法主要通过添加表面活性剂来实现抗静电功能，而表面活性剂的抗静电作用受环境相对湿度影响较大，存在着抗静电效果不稳定的一面。研究表明，如果既要消除静电作用，又要抗静电效果稳定且不受环境相对湿度的影响，具有适当导电性能的高分子材料是一个具有发展前景的方向[7]。通过掺杂适当的物质，可以使普通高分子材料的电导率在很大的范围内发生变化，从而促使静电荷排走。目前抗静电高分子材料研究领域中，研究层次较深并且研究范围较广的是聚苯胺[8]、聚二氧乙基噻吩[9-11]等。

2.2防电磁辐射材料

随着科技的发展，日常生活中电子产品存在着各种各样的电磁辐射问题，而这些电磁辐射对人类的身体健康存在着不同程度的有害作用，因此如何避免这些电磁辐射成为当今研究的热点。防止电磁辐射的机理是要求材料表面导电而内部有较大的介电损耗，从而使电磁波在材料表面反射或者是在材料内部损耗。通过对皮革材料原有组织结构进行调整，例如在皮革内部增加介电损耗值较大的材料含量，再辅以皮革表面适当的处理以增强材料表面的导电性，可以使皮革服饰具有防止电磁辐射的作用，从而保护人类的身体健康[3]。

2.3皮革材料涂层质量的鉴别

张方辉等[12]探索性地研究了铬鞣牛皮鞋面革涂饰加工表

面前后，电导率的变化情况。研究表明：在用聚氨酯涂饰剂对皮革表面进行涂饰加工之后，皮革的电阻率比处理之前提高了接近4倍，由此可以得到一种利用涂饰加工前后皮革电阻率的变化来检测涂饰加工质量与处理程度的电学检测手段。通过电学检测手段，可以较为准确地判断涂饰加工的质量，从而控制产品质量的均一性，最大程度地减小产品质量方差，因而可以提高产品的整体质量。利用已有的质量较好的成品的物理性质如电学性质作为标准，定量检测所生产产品的物理性质从而达到控制产品质量的目的，是皮革检测行业未来潜在的发展方向。

3　结语

皮革高分子材料在电学性能方面的研究正逐步开展，通过研究皮革高分子材料电学性能的特点，可以在抗静电材料、抗电磁辐射、涂饰加工等领域使皮革材料的功能和检测方式更加多样化，从而更好地服务于人类的生产与生活。

皮革导电性能的研究应向着研制功能性复合材料的方向发展，例如可以改善皮革表层导电性能达到防止电磁辐射的作用，从而制作出防止电磁辐射而保护人体的衣物服饰等。此外，皮革材料已经不仅仅用于保暖作用，其功能日趋多样化，例如皮革可以防污、防紫外线、增加空气中负离子的作用等[13]，皮革材料正向着高科技化和高知识含量的方向发展。皮革作为高分子聚合物材料，相关科研人员应该进一步探索皮革的潜在性能，发挥皮革更加多样化的功能是当前科研人员义不容辞的责任。

未来多功能性皮革的开发，应在研究皮革微观结构基础上，在制作加工皮革工艺的同时，掺杂适当的物质改变皮革高分子材料原有的微观结构或者掺杂具有某种性能的物质来改善皮革的功能，从而实现皮革多功能化的目的。开发出具有特种性能的高科技含量的皮革产品，在满足人们需求的同时，对于增加皮革产品附加值将起到巨大作用，可以促进皮革行业的发展。

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[13]刘兰，胡杨，但卫华，等.皮革毛皮的功能性效应[J].中国皮革，2012，（5）：43-45.

Progressin Researchon Electrical Propertiesof Leather Polymer Materials

ZHOU Chen, YANG Wei
(School of Materials Science and Engineering, Shandong University, Ji’nan 250002,China)

Abstract:The study of enormous conductive polymer material develops rapidly since it was found. Com原pared with the metal material, the conductive polymer material possesses a series of advantages such as low density, good processing performance, high energy density and so on. Therefore, it received extensively attention. This article will review the progress of research on the mechanism of conduction, application of electrical properties of the leather polymer materials.

Key words:leather; conduction; mechanism; electrical property

作者简介：第一周晨，山东大学材料科学与工程学院在读本科生，联系电话18366112613。

收稿日期：2015-02-07

文章编号：1671-1602（2015）06-0016-04

文献标志码院A

中图分类号院TB 34