專利名稱：一種導(dǎo)電復(fù)合纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合纖維及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種導(dǎo)電復(fù)合纖維及其制備方法。
背景技術(shù)：
導(dǎo)電纖維是在20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種新的纖維品種，通常把電導(dǎo)率大于108 Ω -1 Cm 1(20 0C、65%RH條件下)的纖維定義為導(dǎo)電纖維。1974年美國杜邦公司首先采用復(fù)合紡絲技術(shù)成功制備出以炭黑為導(dǎo)電芯層的復(fù)合導(dǎo)電纖維，雖然這種導(dǎo)電纖維的質(zhì)量和性能較好，使用范圍廣，但由于特殊的紡絲工藝而導(dǎo)致其成本較高。常見的是將導(dǎo)電粒子與聚合物基體共混，進(jìn)一步紡絲得到導(dǎo)電纖維(CN1563526，CN1584141, CN102534868A,CN102560746A, CN102517683A, CN102102231A, CN1431342 和 CN101187078)。但要想獲得較高的電導(dǎo)率，就必須加大導(dǎo)電粒子的添加量，這既影響共混物的可紡性，也會大幅度降低纖維的力學(xué)性能。采用后處理的方法則可以很好地保留有機(jī)纖維固有的良好的力學(xué)性能。后處理法主要是采用化學(xué)鍍和物理沉積法在普通纖維表層形成導(dǎo)電層(CN102051803A和CN101705614A)，或?qū)?dǎo)電高分子單體吸附在纖維表面進(jìn)行原位反應(yīng)賦予普通纖維導(dǎo)電能力(CN101070672和CN1099443)，而更常見的是對常規(guī)纖維進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而涂敷導(dǎo)電粒子制備導(dǎo)電纖維(CN1749476)。目前應(yīng)用較廣的碳黑涂覆型有機(jī)導(dǎo)電纖維的電導(dǎo)率通常在KT5Q4cm 1左右。但后處理容易損傷纖維結(jié)構(gòu)，且導(dǎo)電涂層在洗滌與摩擦中容易脫落，還會使普通纖維失去了原有的良好力學(xué)性能，難以進(jìn)一步編織成織物，特別是其偏低的電導(dǎo)率限制了它的應(yīng)用范圍。陳威等人通過化學(xué)修飾的方法在芳綸纖維形成一定比例的自由氨基基團(tuán)，浸泡在N-甲基吡咯烷酮溶液中，通過超聲輔助，與表面羧基化的碳納米管反應(yīng)，部分碳納米管進(jìn)入到Kevlar纖維內(nèi)部，而另一部分則通過與氨基形成酰胺鍵而固定在纖維表面(CN101831800A)。李耀剛等人先用堿處理聚丙烯腈，通過KH550改性制備出氧化石墨改性的聚丙烯腈纖維，并將其置于氧化石墨的分散液中，滴加水合肼水溶液，加熱反應(yīng)，得到一種石墨烯包覆聚丙烯腈纖維(CN102619080A)。我們曾利用有機(jī)纖維溶脹所形成的松散結(jié)構(gòu)，將分散在有機(jī)溶劑中的導(dǎo)電粒子嵌入或吸附到高彈性纖維外部得到皮芯結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電纖維(CN101487148A，CN102121192A和CN102199871A)，在保證纖維原有的高彈性的基礎(chǔ)上，其電導(dǎo)率可達(dá)IO2Q4cm1左右。本專利則提出更為綠色環(huán)保的制備方法，無需將導(dǎo)電粒子分散到有機(jī)溶劑中，整個制備過程在水相中進(jìn)行，所制備的導(dǎo)電復(fù)合纖維具有導(dǎo)電率高、導(dǎo)電成分不易脫落、導(dǎo)電性能持久、手感柔軟和可編織等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種導(dǎo)電復(fù)合纖維及其制備方法，利用吸附在有機(jī)纖維上的苯胺或吡咯與導(dǎo)電粒子的強(qiáng)相互作用力，將導(dǎo)電粒子吸附到纖維表面，制備出導(dǎo)電復(fù)合纖維。制備過程無需有機(jī)溶劑，綠色環(huán)保，工藝簡便，成本低廉，可連續(xù)化、規(guī)模
化生產(chǎn)。
本發(fā)明的一種導(dǎo)電復(fù)合纖維，具有皮芯結(jié)構(gòu)，包含導(dǎo)電粒子和有機(jī)纖維，其中導(dǎo)電粒子的質(zhì)量百分含量為O. 5 10%,有機(jī)纖維的質(zhì)量百分含量為90 99. 5%。所述導(dǎo)電粒子為碳納米管、石墨烯、氧化石墨或納米尺寸的石墨粉。所述有機(jī)纖維為聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚氨酯纖維、棉纖維、聚丙烯腈纖維、再生纖維素纖維、聚已內(nèi)酰胺纖維或聚乙烯醇纖維。本發(fā)明的一種導(dǎo)電復(fù)合纖維的制備方法，包括(I)將有機(jī)纖維在預(yù)處理液中進(jìn)行預(yù)處理，然后吹干；(2)將上述纖維浸入導(dǎo)電粒子的水分散液中，在冰水浴中超聲輔助將導(dǎo)電粒子吸附到纖維外層，浸潤，晾干，然后再用鹽酸進(jìn)行浸潤、清洗、烘干，即得導(dǎo)電復(fù)合纖維。所述步驟(I)中預(yù)處理液為飽和苯胺或飽和吡咯水溶液，預(yù)處理時間為5 30min。所述步驟(2)中水分散液中導(dǎo)電粒子的濃度為I 40mg/ml?！に霾襟E(2)中纖維在水分散液中的浸潤時間為f60min。所述步驟(2)中所述鹽酸濃度為O. 5^3mol/mL·所述步驟(2)中纖維在鹽酸中的浸潤時間為l(T60min。有益.效果(I)本發(fā)明制備過程無需有機(jī)溶劑，綠色環(huán)保，工藝簡便，成本低廉，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、規(guī)?；a(chǎn)；(2)本發(fā)明制備的導(dǎo)電復(fù)合纖維導(dǎo)電率高、導(dǎo)電成分不易脫落、導(dǎo)電性能持久、手感柔軟和可編織等優(yōu)點(diǎn)；(3)本發(fā)明制備的導(dǎo)電復(fù)合纖維可用作抗靜電與電磁屏蔽材料，儲能電極材料，氣體、液體與生物傳感材料和金屬與有機(jī)污染物吸附材料等。


圖I為實(shí)施例I中石墨烯在聚氨酯纖維表面復(fù)合的掃描電鏡圖及導(dǎo)電纖維圖；圖2為實(shí)施例2中碳納米管在聚酰胺纖維表面復(fù)合的掃描電鏡圖；圖3為實(shí)施例5中石墨烯/再生纖維素纖維導(dǎo)電復(fù)合纖維的儲能電化學(xué)行為；圖4為實(shí)施例6中石墨烯/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合纖維的氣敏傳感曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。實(shí)施例I先將聚氨酯纖維在苯胺飽和水溶液中進(jìn)行預(yù)處理5min，取出陰涼處吹干；再浸到
I.lmg/ml石墨烯水分散液中，在冰水浴中超聲輔助將石墨烯吸附到纖維外層，浸潤時間為lmin，取出晾干；然后將上述纖維浸到濃度為3mol/ml的鹽酸溶液中，浸潤時間為30min，清洗、烘干，制備出導(dǎo)電復(fù)合纖維(見圖1)，其中石墨烯占導(dǎo)電纖維的質(zhì)量百分比為0.5%，導(dǎo)電纖維電導(dǎo)率為6. 9X ΙΟ1。-1 · cm、
實(shí)施例2先將聚酰胺纖維在苯胺飽和水溶液中進(jìn)行預(yù)處理12min，陰涼處吹干；再浸到40mg/ml碳納米管水分散液中，在冰水浴中超聲輔助將碳納米管吸附到纖維外層，浸潤時間為35min，取出晾干；然后將上述纖維浸到濃度為2mol/ml的鹽酸溶液中，浸潤時間為20min，清洗、烘干，制備出導(dǎo)電復(fù)合纖維(見圖2)，其中碳納米管占導(dǎo)電纖維的質(zhì)量百分比為9%，導(dǎo)電纖維電導(dǎo)率為I. 2X ΙΟ2。-1 · cm1。實(shí)施例3 先將聚酰胺纖維在吡咯飽和水溶液中進(jìn)行預(yù)處理15min，陰涼處吹干；再浸到5 m g /m I氧化石墨水分散液中，在冰水浴中超聲輔助將氧化石墨吸附到纖維外層，浸潤時間為25min，取出晾干；然后將上述纖維浸到濃度為lmol/ml的鹽酸溶液中，浸潤時間為60min，清洗、烘干，制備出導(dǎo)電復(fù)合纖維，其中氧化石墨占導(dǎo)電纖維的質(zhì)量百分比為6%，導(dǎo)電纖維電導(dǎo)率為3. 6 X 1(Γ4 Ω -1 · cm 1。實(shí)施例4先將聚丙烯腈纖維在吡咯飽和水溶液中進(jìn)行預(yù)處理30min，陰涼處吹干；再浸到20mg/ml碳納米管水分散液中，在冰水浴中超聲輔助將碳納米管吸附到纖維外層，浸潤時間為17min，取出晾干；然后將上述纖維浸到濃度為I. 5mol/ml的鹽酸溶液中，浸潤時間為45min，清洗、烘干，制備出導(dǎo)電復(fù)合纖維，其中碳納米管占導(dǎo)電纖維的質(zhì)量百分比為8%，導(dǎo)電纖維電導(dǎo)率為I. 4X IO2Q^1 * cm、實(shí)施例5先將再生纖維素纖維在苯胺飽和水溶液中進(jìn)行預(yù)處理20min，陰涼處吹干；再浸到3mg/ml石墨烯水分散液中，在冰水浴中超聲輔助將石墨烯吸附到纖維外層，浸潤時間為60min，取出晾干；然后將上述纖維浸到濃度為O. 5mol/ml的鹽酸溶液中，浸潤時間為lOmin，清洗、烘干，制備出導(dǎo)電復(fù)合纖維，其中石墨烯占導(dǎo)電纖維的質(zhì)量百分比為3%，導(dǎo)電纖維電導(dǎo)率為8. TXlO1Q-1-cm'以導(dǎo)電纖維為工作電極，并以Pt電極為對電極，Ag/AgCl為參比電極，加入O. 5M Na2SO4電解液，組成三電極系統(tǒng)。在10mV/s的掃描速率下，測得的比電容值約為110F/g (見圖3);循環(huán)1000次后比電容值的衰減不超過20%。實(shí)施例6先將聚氨酯纖維在吡咯飽和水溶液中進(jìn)行預(yù)處理8min，陰涼處吹干；再浸到24mg/ml碳納米管水分散液中，在冰水浴中超聲輔助將碳納米管吸附到纖維外層，浸潤時間為28min，取出晾干；然后將上述纖維浸到濃度為I. 5mol/ml的鹽酸溶液中，浸潤時間為16min，清洗、烘干，制備出導(dǎo)電復(fù)合纖維，其中碳納米管占導(dǎo)電纖維的質(zhì)量百分比為8.6%，導(dǎo)電纖維電導(dǎo)率為9. 3X104 1 -cm-1。此導(dǎo)電纖維可用于氣體傳感，對氯仿氣體而言，其響應(yīng)時間為秒量級(見圖4)。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)電復(fù)合纖維，其特征在于所述導(dǎo)電復(fù)合纖維具有皮芯結(jié)構(gòu)，包含導(dǎo)電粒子和有機(jī)纖維，其中導(dǎo)電粒子的質(zhì)量百分含量為O. 5 10%，有機(jī)纖維的質(zhì)量百分含量為90 99. 5%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)電復(fù)合纖維，其特征在于所述導(dǎo)電粒子為碳納米管、石墨烯、氧化石墨或納米尺寸的石墨粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種導(dǎo)電復(fù)合纖維。其特征在于所述有機(jī)纖維為聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚氨酯纖維、棉纖維、聚丙烯腈纖維、再生纖維素纖維、聚已內(nèi)酰胺纖維或聚乙烯醇纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求3任一所述的一種導(dǎo)電復(fù)合纖維的制備方法,包括 (1)將有機(jī)纖維在預(yù)處理液中進(jìn)行預(yù)處理，然后吹干； (2)將上述纖維浸入導(dǎo)電粒子的水分散液中，在冰水浴中超聲輔助將導(dǎo)電粒子吸附到纖維外層，浸潤，晾干，然后再用鹽酸進(jìn)行浸潤、清洗、烘干，即得導(dǎo)電復(fù)合纖維。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種導(dǎo)電復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于所述步驟(I)中預(yù)處理液為飽和苯胺或飽和吡咯水溶液，預(yù)處理時間為5 30min。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種導(dǎo)電復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中水分散液中導(dǎo)電粒子的濃度為I 40mg/ml。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種導(dǎo)電復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中纖維在水分散液中的浸潤時間為60min。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種導(dǎo)電復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中所述鹽酸濃度為O. 5 3mol/ml。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種導(dǎo)電復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中纖維在鹽酸中的浸潤時間為l(T60min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電復(fù)合纖維及其制備方法，所述導(dǎo)電復(fù)合纖維具有皮芯結(jié)構(gòu)，包含導(dǎo)電粒子和有機(jī)纖維，其中導(dǎo)電粒子的質(zhì)量百分含量為0.5～10%，有機(jī)纖維的質(zhì)量百分含量為90～99.5%。制備方法包括(1)將有機(jī)纖維在預(yù)處理液中進(jìn)行預(yù)處理，然后吹干；(2)將上述纖維浸入導(dǎo)電粒子的水分散液中，在冰水浴中超聲輔助將導(dǎo)電粒子吸附到纖維外層，浸潤，晾干，然后再用鹽酸水溶液進(jìn)行浸潤、清洗、烘干，即得導(dǎo)電復(fù)合纖維。本發(fā)明制備無需有機(jī)溶劑，綠色環(huán)保，工藝簡便，成本低廉，可連續(xù)化、規(guī)?；a(chǎn)；所得產(chǎn)品有導(dǎo)電率高、導(dǎo)電成分不易脫落、導(dǎo)電性能持久、手感柔軟和可編織等優(yōu)點(diǎn)；可用作抗靜電與電磁屏蔽材料，儲能電極材料等。
文檔編號D06M10/06GK102877286SQ20121043706
公開日2013年1月16日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者秦宗益, 張曉琳, 劉欣, 吳謙, 梁浜雷, 陳龍 申請人:東華大學(xué)