專利名稱：一種含碳納米管的導(dǎo)電復(fù)合纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電復(fù)合纖維及其制備方法，特別涉及一種含有碳納米管和導(dǎo)電炭黑兩種不同導(dǎo)電粒子的聚合物基導(dǎo)電復(fù)合纖維及其制備方法。
背景技術(shù)：
紡織品在生產(chǎn)加工和使用中會(huì)因?yàn)槟Σ梁透袘?yīng)產(chǎn)生靜電，常規(guī)合成纖維的體積電阻通常在1010Ωcm以上，容易造成電荷的積聚，妨礙生產(chǎn)的順利進(jìn)行，對(duì)人體健康造成不良影響。高壓靜電放電可產(chǎn)生電擊，引起電子元件損壞，炸藥和電火工品的意外爆炸。鑒于靜電的危害日益突出，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)對(duì)于靜電安全技術(shù)都給予了高度的重視，許多發(fā)達(dá)國(guó)家甚至對(duì)特殊場(chǎng)合工作服的抗靜電性能進(jìn)行了規(guī)定。
導(dǎo)電纖維有幾種常見(jiàn)的制備方法。1.在纖維表面涂覆表面活性劑類抗靜電劑，中國(guó)專利87104346(公開(kāi)號(hào))公開(kāi)了通過(guò)浸漬，將銅離子沉淀在聚丙烯腈纖維表面，形成導(dǎo)電皮層的方法；中國(guó)專利1467337(公開(kāi)號(hào))公開(kāi)了將導(dǎo)電漿料噴涂到動(dòng)物、化纖、滌棉或純棉等成品的纖維布或坯布的底材纖維布上，導(dǎo)電漿料配方由粘合劑、涂料色漿、阻燃劑、柔軟劑、遠(yuǎn)紅外線填料和導(dǎo)電微粉6種組分組成的制備方法。這種方法操作簡(jiǎn)單，但在摩擦和反復(fù)洗滌后皮層導(dǎo)電物質(zhì)易剝落，纖維、織物的耐洗性差；2.在形成纖維的基體聚合物中加入表面活性劑類抗靜電劑或高分子永久型抗靜電劑，再紡絲。中國(guó)專利1450210(公開(kāi)號(hào))公開(kāi)了將有機(jī)磺酸摻雜的可溶性聚苯胺與聚丙烯腈混合溶解，采用濕法紡絲技術(shù)制得導(dǎo)電纖維。這種方法對(duì)于外界的溫度和濕度條件有較高的要求，在溫度和濕度較低的環(huán)境中纖維的導(dǎo)電性能受到損失；3.將不銹鋼等金屬制成短纖維，與普通合成纖維混紡織造，用作防靜電服裝和地毯面料，其特點(diǎn)是導(dǎo)電性能好，缺點(diǎn)是抱合力小，可紡性差，織物手感不佳。4.直接紡絲法，用聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等導(dǎo)電性高分子材料直接進(jìn)行紡絲。但是導(dǎo)電聚合物的加工條件極其苛刻，目前尚難應(yīng)用于紡織品；5.是利用炭黑、金屬或金屬氧化物與基體聚合物形成導(dǎo)電復(fù)合纖維。制造方法有添加導(dǎo)電微粉、無(wú)電電鍍和配成涂飾劑。導(dǎo)電復(fù)合纖維法性能穩(wěn)定，效果優(yōu)異，耐久性強(qiáng)，不受氣候條件的限制，是最有發(fā)展途的方法。
目前常用的方法是用炭黑和高分子材料共混，制得導(dǎo)電性聚合物混合料。然后以此混合料與常規(guī)成纖聚合物復(fù)合紡絲，形成導(dǎo)電復(fù)合纖維。從國(guó)內(nèi)外應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，被覆型和復(fù)合型有機(jī)導(dǎo)電纖維最適合于制造永久性的抗靜電紡織品。
美國(guó)專利2803453說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)了以含15％～50％導(dǎo)電炭黑的導(dǎo)電性聚合物混合料為芯材的皮芯型導(dǎo)電復(fù)合纖維；中國(guó)專利1375019(公開(kāi)號(hào))公開(kāi)了皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)導(dǎo)電纖維，皮層由含15％～40％導(dǎo)電性炭黑的成纖高聚物構(gòu)成，芯層為PET；中國(guó)專利1295141(公開(kāi)號(hào))公開(kāi)了由導(dǎo)電性聚合物層和保護(hù)聚合物形成構(gòu)成的導(dǎo)電復(fù)合纖維及其制備方法，導(dǎo)電聚合物層由含15％～50％的導(dǎo)電性炭黑的熱塑性聚酰胺構(gòu)成，保護(hù)聚合物層成分是熱塑性聚酰胺。由上述公開(kāi)的專利可以看到，目前常見(jiàn)的炭黑型導(dǎo)電復(fù)合纖維，其導(dǎo)電性聚合物層通常都含有大量的導(dǎo)電炭黑(重量比＞15％)，以形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。這勢(shì)必會(huì)破壞高聚物的流變性能，使混合料的可紡性能及力學(xué)性能變差。需要尋求新的導(dǎo)電填充粒子，在保持導(dǎo)電復(fù)合纖維電學(xué)性能的基礎(chǔ)上減少導(dǎo)電填充粒子的用量，提高纖維的力學(xué)性能。
碳納米管(CNTs)是一種新生的碳素材料，隨著其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性能逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，以及批量制備碳納米管的實(shí)現(xiàn)，碳納米管的實(shí)際應(yīng)用成為新的研究重點(diǎn)。由于碳納米管的納米級(jí)尺寸和一維結(jié)構(gòu)，具有極大的比表面積和優(yōu)異的電磁性能，在導(dǎo)電復(fù)合纖維的研究中具有很大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。
碳納米管/聚合物復(fù)合材料體系的導(dǎo)電性能的提高是直接接觸傳導(dǎo)和隧道效應(yīng)傳導(dǎo)兩種機(jī)理共同作用的結(jié)果，在添加量大于臨界填充體積時(shí)，碳納米管在基體中形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是導(dǎo)電性提高的主要原因；當(dāng)添加量小于臨界填充體積時(shí)，由于碳納米管尖端電荷的高度集中使得介質(zhì)被電極化而導(dǎo)電，而且碳納米管尖端的電子在非常低的外場(chǎng)下就可發(fā)射電子，有可能會(huì)擊穿介質(zhì)而導(dǎo)電；當(dāng)碳納米管尖端非?？拷鼤r(shí)，還可能由于隧道效應(yīng)產(chǎn)生漏電流而導(dǎo)電。因此很小的碳納米管用量(0.5％～1％)，就可以在高聚物層中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使導(dǎo)電纖維具有良好的導(dǎo)電性能。我們通過(guò)碳納米管和導(dǎo)電炭黑的混合使用，使兩種導(dǎo)電機(jī)理共同作用，既能保持導(dǎo)電復(fù)合纖維的導(dǎo)電性能，又可以大量減少導(dǎo)電炭黑的用量，保持高聚物的成纖性能和力學(xué)性能。
碳納米管作為高聚物基復(fù)合材料的填料，具有許多特點(diǎn)，如(1)碳納米管在聚合物中的有效分散及取向；(2)碳納米管與聚合物的相行為；(3)碳納米管與聚合物分子的相互作用；(4)碳納米管加入對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)性能的影響等。另外，碳納米管具有一定的化學(xué)惰性，所以碳納米管在高聚物基中的分散是碳納米管/高聚物納米復(fù)合材料制備的關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種含碳納米管的導(dǎo)電復(fù)合纖維及其制備方法，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足或缺陷，滿足生產(chǎn)的需要。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案之一是一種含碳納米管的導(dǎo)電復(fù)合纖維，由芯層和皮層構(gòu)成，其中芯層為導(dǎo)電芯材2，皮層為成纖聚合物1；所述的導(dǎo)電芯材2的重量百分比含量包括熱塑性高聚物60～99.5％碳納米管0～5％導(dǎo)電炭黑0～15％分散劑 0.5～20％所述的熱塑性高聚物為聚丙烯、聚乙烯、聚酯或聚丙烯腈的一種或其混合物；所述的碳納米管為平均直徑10-100nm，長(zhǎng)徑比100-400的單壁或多壁碳納米管中的一種或其混合物；所述的導(dǎo)電炭黑是顆粒直徑為10～150nm，吸油量為100～1000的導(dǎo)電炭黑；所述的分散劑為有機(jī)硅樹(shù)脂、阿拉伯膠、聚對(duì)苯二甲酸酯的一種或其混合物。
作為優(yōu)選的技術(shù)方案所述的成纖聚合物是聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺中的一種或幾種；所述的復(fù)合纖維截面為偏心皮芯型；皮芯復(fù)合比為1∶10～1∶1，體積比。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案之二是所述的導(dǎo)電復(fù)合纖維的制備方法，包括如下步驟a.將熱塑性高聚物和碳納米管、導(dǎo)電炭黑分別進(jìn)行干燥，將熱塑性高聚物、碳納米管、導(dǎo)電炭黑和分散劑加入到高速混合機(jī)中，在溫度160℃～180℃下混合均勻；b.將得到的混合物在雙螺桿擠出機(jī)中，控制轉(zhuǎn)速為40～100r/min，溫度為150℃～200℃擠出造粒，得到導(dǎo)電芯材母粒；c.將步驟b得到的導(dǎo)電芯材母粒與所述的成纖聚合物通過(guò)復(fù)合紡絲工藝制備所述的導(dǎo)電纖維。
本發(fā)明的有益效果是碳納米管具有良好的電學(xué)性能，碳納米管與導(dǎo)電炭黑的配合使用，極大地降低了導(dǎo)電炭黑的用量，所得的導(dǎo)電復(fù)合纖維除了具有優(yōu)良的電學(xué)性能，可紡性能和力學(xué)性能也比目前常見(jiàn)的炭黑添加導(dǎo)電復(fù)合纖維有一定的改善。經(jīng)過(guò)處理的碳納米管在聚合物基體中有效分散，與導(dǎo)電炭黑形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)復(fù)合紡絲工藝，導(dǎo)電芯材受到保護(hù)，制得的導(dǎo)電復(fù)合纖維具有良好的耐久性。


圖1本發(fā)明導(dǎo)電復(fù)合纖維的截面示意圖其中，1-成纖聚合物，2-導(dǎo)電芯材具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)闡述。
實(shí)施例1參照附圖1，一種含碳納米管的導(dǎo)電復(fù)合纖維，由芯層和皮層構(gòu)成，其中芯層為導(dǎo)電芯材2，皮層為成纖聚合物1；所述的導(dǎo)電芯材的重量百分比含量包括聚丙烯84％、碳納米管1％、導(dǎo)電炭黑5％、有機(jī)硅樹(shù)脂15％；碳納米管為平均直徑10nm，長(zhǎng)徑比400的單壁碳納米管；導(dǎo)電炭黑是顆粒直徑為10nm，吸油量為1000的導(dǎo)電炭黑；皮芯復(fù)合比為1∶1，體積比。
其制備方法包括如下步驟a.熱塑性高聚物和碳納米管、導(dǎo)電炭黑分別進(jìn)行干燥，將聚丙烯、碳納米管、導(dǎo)電炭黑和有機(jī)硅樹(shù)脂加入到高速混合機(jī)中，在溫度160℃下混合均勻；b.將得到的混合物在雙螺桿擠出機(jī)中，控制轉(zhuǎn)速為100r/min，溫度為150℃擠出造粒，得到導(dǎo)電芯材母粒；c.將步驟b得到的導(dǎo)電芯材母粒與聚丙烯通過(guò)復(fù)合紡絲工藝制備所述的導(dǎo)電纖維。
將導(dǎo)電芯材母粒與聚丙烯切片真空干燥。在復(fù)合紡絲裝置上進(jìn)行復(fù)合紡絲，經(jīng)過(guò)拉伸，定型得到偏心皮芯型導(dǎo)電復(fù)合纖維，此導(dǎo)電復(fù)合纖維的體積電阻為2.1374×106Ω·cm。
實(shí)施例2參照附圖1，一種含碳納米管的導(dǎo)電復(fù)合纖維，由芯層和皮層構(gòu)成，其中芯層為導(dǎo)電芯材，皮層為成纖聚合物；所述的導(dǎo)電芯材的重量百分比含量包括聚乙烯99.5％、碳納米管5％、導(dǎo)電炭黑15％、阿拉伯膠0.5％；碳納米管為平均直徑100nm，長(zhǎng)徑比100的多壁碳納米管；導(dǎo)電炭黑是顆粒直徑為150nm，吸油量為100的導(dǎo)電炭黑；皮芯復(fù)合比為1∶5，體積比。
其制備方法包括如下步驟a.將熱塑性高聚物和碳納米管、導(dǎo)電炭黑分別進(jìn)行干燥，將聚乙烯、碳納米管、導(dǎo)電炭黑和阿拉伯膠加入到高速混合機(jī)中，在溫度180℃下混合均勻；b.將得到的混合物在雙螺桿擠出機(jī)中，控制轉(zhuǎn)速為40r/min，溫度為200℃擠出造粒，得到導(dǎo)電芯材母粒；
c.將步驟b得到的導(dǎo)電芯材母粒與聚酯通過(guò)復(fù)合紡絲工藝制備所述的導(dǎo)電纖維。
將導(dǎo)電芯材母粒與聚酯切片真空干燥。在復(fù)合紡絲裝置上進(jìn)行復(fù)合紡絲，經(jīng)過(guò)拉伸，定型得到偏心皮芯型導(dǎo)電復(fù)合纖維，此導(dǎo)電復(fù)合纖維的體積電阻為7.3725×107Ω·cm。
實(shí)施例3參照附圖1，一種含碳納米管的導(dǎo)電復(fù)合纖維，由芯層和皮層構(gòu)成，其中芯層為導(dǎo)電芯材，皮層為成纖聚合物；所述的導(dǎo)電芯材的重量百分比含量包括聚丙烯腈60％、碳納米管2.5％、導(dǎo)電炭黑5％、聚對(duì)苯二甲酸酯20％；碳納米管為平均直徑50nm，長(zhǎng)徑比200的多壁碳納米管；導(dǎo)電炭黑是顆粒直徑為100nm，吸油量為500的導(dǎo)電炭黑；皮芯復(fù)合比為1∶10，體積比。
其制備方法包括如下步驟a.將熱塑性高聚物和碳納米管、導(dǎo)電炭黑分別進(jìn)行干燥，將聚乙烯、碳納米管、導(dǎo)電炭黑和阿拉伯膠加入到高速混合機(jī)中，在溫度170℃下混合均勻；b.將得到的混合物在雙螺桿擠出機(jī)中，控制轉(zhuǎn)速為60r/min，溫度為180℃擠出造粒，得到導(dǎo)電芯材母粒；c.將步驟b得到的導(dǎo)電芯材母粒與聚酰胺通過(guò)復(fù)合紡絲工藝制備所述的導(dǎo)電纖維。
將導(dǎo)電芯材母粒與聚酰胺切片真空干燥。在復(fù)合紡絲裝置上進(jìn)行復(fù)合紡絲，經(jīng)過(guò)拉伸，定型得到偏心皮芯型導(dǎo)電復(fù)合纖維，此導(dǎo)電復(fù)合纖維的體積電阻為1.9899×102Ω·cm。
權(quán)利要求
1.一種含碳納米管的導(dǎo)電復(fù)合纖維，其特征在于由芯層和皮層構(gòu)成，其中芯層為導(dǎo)電芯材(2)，皮層為成纖聚合物(1)；所述的導(dǎo)電芯材(2)的重量百分比含量包括熱塑性高聚物 60～99.5％碳納米管 0～5％導(dǎo)電炭黑 0～15％分散劑 0.5～20％所述的熱塑性高聚物為聚丙烯、聚乙烯、聚酯或聚丙烯腈的一種或其混合物；所述的碳納米管為平均直徑10-100nm，長(zhǎng)徑比100-400的單壁或多壁碳納米管中的一種或其混合物；所述的導(dǎo)電炭黑是顆粒直徑為10～150nm，吸油量為100～1000的導(dǎo)電炭黑；所述的分散劑為有機(jī)硅樹(shù)脂、阿拉伯膠、聚對(duì)苯二甲酸酯的一種或其混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電復(fù)合纖維，其特征在于所述的成纖聚合物(1)是聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電復(fù)合纖維，其特征在于所述的復(fù)合纖維截面為偏心皮芯型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的導(dǎo)電復(fù)合纖維，其特征在于皮芯復(fù)合比為1∶10～1∶1，體積比。
5.一種如權(quán)利1所述的導(dǎo)電復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于包括如下步驟a.將熱塑性高聚物和碳納米管、導(dǎo)電炭黑分別進(jìn)行干燥，將熱塑性高聚物、碳納米管、導(dǎo)電炭黑和分散劑加入到高速混合機(jī)中，在溫度160℃～180℃下混合均勻；b.將得到的混合物在雙螺桿擠出機(jī)中，控制轉(zhuǎn)速為40～100r/min，溫度為150℃～200℃擠出造粒，得到導(dǎo)電芯材母粒；c.將步驟b得到的導(dǎo)電芯材母粒與所述的成纖聚合物通過(guò)復(fù)合紡絲工藝制備所述的導(dǎo)電纖維。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種含碳納米管的導(dǎo)電復(fù)合纖維，由芯層和皮層構(gòu)成，其中芯層為導(dǎo)電芯材，皮層為成纖聚合物；所述的導(dǎo)電芯材的重量百分比含量包括熱塑性高聚物60～99.5％、碳納米管0～5％、導(dǎo)電炭黑0～15％、分散劑0.5～20％；其制備方法包括如下步驟將上述組分加入高速混合機(jī)混合均勻；將得到的混合物在雙螺桿擠出機(jī)中擠出造粒，得到導(dǎo)電芯材母粒；將導(dǎo)電芯材母粒與所述的成纖聚合物通過(guò)復(fù)合紡絲工藝制備所述的導(dǎo)電纖維。降低了導(dǎo)電炭黑的用量，所得的導(dǎo)電復(fù)合纖維具有優(yōu)良的電學(xué)性能，可紡性能和力學(xué)性能、耐久性。
文檔編號(hào)C08K3/00GK1840750SQ20061002379
公開(kāi)日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2006年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月9日
發(fā)明者洪炳墩, 王彪, 王華平 申請(qǐng)人:東華大學(xué)