CN102011313B - 一种聚吡咯/纳米铂复合导电纤维及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种聚吡咯/纳米铂复合导电纤维及制备方法，其将纤维经过适当的清洗等处理后，在氧化剂溶液中浸泡10～30min，室温下自然晾干或烘干，然后将处理过的纤维放入充满吡咯蒸汽的密闭容器中0～30℃反应5～30min，最后分别用乙醇和去离子水洗涤，自然晾干或烘干，即得到导电纤维A；将导电纤维A在浓度为0.1～1.0mol/L的氯铂酸(H2PtCl6·6H20)水溶液中浸泡0.5～2h，然后浸入浓度为0.01～0.1mol/L的吡咯水溶液中，室温下反应6～10h，最后分别用乙醇和去离子水洗涤，自然晾干或烘干，即得到聚吡咯/纳米铂复合导电纤维。该导电纤维可直接织布，也可同普通纤维以1∶10～100的比例混纺，获得具有抗静电、电磁屏蔽功能的纺织品。本发明所述的聚吡咯/纳米铂复合导电纤维比电阻为103～107Ω·cm，具有抗静电、电磁屏蔽功能。

Description

一种聚吡咯/纳米铂复合导电纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种导电纤维及其制备方法和应用，特别涉及一种聚吡咯/纳米铂复合导电纤维及其制备方法和应用。
背景技术
纺织品在生产加工和使用中易因摩擦和感应产生静电，而常规纤维材料的电阻率均在1010Ω·cm以上，所产生的电荷不易逸散。静电电荷的积累不仅会影响服装在穿着过程中的舒适度，还会对人体健康造成影响，且会造成电子元件损坏；静电放电可引起炸药和电火工品的意外爆炸，静电放电产生的电磁辐射会对各种电子设备、信息系统造成电磁干扰。
随着电子技术的飞速发展，人们生产和生活中使用的电子设备和产品越来越多，电磁辐射污染已被公认为继大气污染、水质污染、噪音污染后的第4大公害。电磁辐射不仅会干扰电气设备的正常运行，也会对人体健康带来严重的威胁，是一种“看不见、闻不到、摸不着”的污染，被称为“无形杀手”。
因此，开发具有防静电和电磁屏蔽功能的材料，成为材料行业的重要研究领域。在纺织品领域，导电纤维是获得具有防静电和电磁屏蔽功能织物的重要原料。
目前，导电纤维主要有以下几种：金属纤维、碳纤维和有机导电纤维。金属纤维导电性能好，耐热，耐化学腐蚀。但对纺织品而言，金属纤维抱合力小，纺纱性能差，成品色泽受限制，多用于地毯和工作服面料，制成高细度纤维时价格昂贵；碳纤维导电性能好，耐热、耐化学药品，但模量高、缺乏韧性、不耐弯折、无热收缩能力，不适合纺织品使用；而有机导电纤维包括普通纺织纤维镀金属，普通纺织纤维镀碳，碳黑、石墨、金属或金属氧化物等导电性物质与高聚物共混或复合纺丝制成的导电纤维，导电高分子直接纺丝制成的有机导电纤维。导电纤维从其结构可分为导电成分均一型、导电分成被覆型、导电成分复合型三类。由于在有机导电纤维中的聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等高分子导电材料直接纺丝困难，价格高难以在纺织中使用。因此从目前的应用经验看，被覆型和复合型有机导电纤维最适合制造纺织品。
在被覆型导电纤维中，金属被覆型导电纤维以其良好的导电性能成为很重要的一类导电纤维。其生产工艺普遍采用化学镀工艺，但是该种方法很大的缺点是金属同纤维基体的结合强度有限。为此，人们尝试各种方法来提高结合强度。CN200910092350.4公开的一种制备聚酰亚胺/银复合导电纤维的方法，先将纤维表面的聚酰亚胺在强碱溶液中水解成聚酰胺酸盐，后同可溶性银盐离子交换转变成聚酰胺酸银盐，最后再将聚酰胺酸银盐中银离子还原成银。该方法得到的导电纤维中银可深入纤维的浅表层，银层的结合强度相对较高。但是无机金属同有机纤维的本质差异使得结合强度仍然不能满足实际需要，而且该方法仅限于聚酰亚胺盐纤维，通过离子交换使银离子转移到纤维表面的效率低，容易造成贵金属的浪费，成本高。
导电高分子如聚苯胺、聚吡咯等，具有特殊的结构和优异的物理化学性能，通过掺杂，其室温电导率可在绝缘体-半导体-金属导体范围内变化(10-9-105S/cm)，其导电特性是它在抗静电、电磁屏蔽和吸波材料上的重要应用基础。当它处于半导体状态时，电磁损耗角的正切值为最大，对微波具有很好的吸收性能，属于电损耗吸收剂。同传统的导电材料金属等相比，导电高分子材料重量轻、韧性好、易加工、电导率易于调节、成本低、易大面积涂敷、施工方便。
为克服目前被覆型导电纤维中金属导电层结合强度差，单纯采用贵金属成本高等缺点，本发明采用原位合成法在纤维表面制备有机导电聚合物聚吡咯作为主要导电层，提高导电层的结合强度，再在其上采用一步法得到纳米铂-聚吡咯层，进一步提高导电性能。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种聚吡咯/纳米铂复合导电纤维及其制备方法和应用。
本发明所述的聚吡咯/纳米铂复合导电纤维具有纤维/聚吡咯层/纳米铂-聚吡咯层的皮芯结构。
所述的纤维包括天然纤维、人造纤维和合成纤维。天然纤维包括棉、麻、丝、毛、竹，人造纤维包括粘胶纤维、人造蛋白纤维等，合成纤维包括涤纶、尼龙、腈纶、维纶、丙纶、氯纶、氨纶等。
所述的聚吡咯层是采用化学氧化法在纤维表面原位合成的，厚度在30～900nm。
所述的纳米铂-聚吡咯层是在纤维/聚吡咯层上原位合成的，厚度在10～100nm。
所述的纳米铂-聚吡咯层中铂是以纳米颗粒的形式分散在聚吡咯基体中。
本发明所述的聚吡咯/纳米铂复合导电纤维的制备方法包括以下步骤：
1)聚吡咯层的原位合成
将纤维经过适当的清洗等处理后，在氧化剂溶液中浸泡10～30min，室温下自然晾干或烘干，然后将处理过的纤维放入充满吡咯蒸汽的密闭容器中0～30℃反应5～30min，最后分别用乙醇和去离子水洗涤，自然晾干或烘干，即得到导电纤维A。
所述的氧化剂溶液为三氯化铁(FeCl3·6H2O)的乙醇溶液，浓度为0.5～2.0mol/L，同时三氯化铁也是聚吡咯的掺杂剂。
2)纳米铂-聚吡咯层的原位合成
将导电纤维A在浓度为0.1～1.0mol/L的氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)水溶液中浸泡0.5～2h，然后浸入浓度为0.01～0.1mol/L的吡咯水溶液中，室温下反应6～10h，最后分别用乙醇和去离子水洗涤，自然晾干或烘干，即得到聚吡咯/纳米铂复合导电纤维。
本发明所述的聚吡咯/纳米铂复合导电纤维比电阻为103～107Ω·cm，具有抗静电、电磁屏蔽功能，可用于普通穿着，减少因气候干燥、磨擦等产生的静电；又适用于石油、天然气、半导体、电子工业、精密仪器、医药卫生等领域，满足这些领域对防尘抗静电、电磁屏蔽的要求。该导电纤维可直接织布，也可同普通纤维以1∶10～100的比例混纺，获得具有抗静电、电磁屏蔽功能的纺织品。
本发明制备的聚吡咯/纳米铂复合导电纤维具有以下优点：
1)复合导电纤维电导率高，且通过控制工艺条件可以调节纤维的电导率，满足不同导电性要求。
2)同传统的添加型导电纤维相比，聚吡咯作为导电组分，与无机导电填料相比，密度小、质轻，同时只需要较少量的聚吡咯就可以在纤维表面形成完整的导电网络，达到良好的导电性能，更重要的一点是避免了导电填料的分散问题。同传统的在普通纤维表面镀金属、碳等无机物相比，聚吡咯也是聚合物，同纤维的相容性较好，结合强度也高，导电纤维耐水洗，导电耐久性好。
3)在聚吡咯层上再原位合成纳米铂-聚吡咯层，形成复合导电层，纳米铂的引入进一步提高复合导电纤维的导电性能，还弥补了聚吡咯在使用过程中易出现脱掺杂导致电导率不稳定的缺点，提高导电纤维的导电耐久性。
4)在化学还原铂的同时引发聚吡咯聚合，使铂分散在聚吡咯基体中，获得纳米铂/聚吡咯层，合成方法简单，成本低。
附图说明
图1为聚吡咯/纳米铂复合导电纤维(实施例1的产物)表面的扫描电镜图。
图2为聚吡咯/纳米铂复合导电纤维(实施例1的产物)的透射电镜图。
图3为聚吡咯/纳米铂复合导电纤维(实施例1的产物)的XRD谱图。
具体实施方法
实施例1：
1)聚吡咯层的原位合成
将棉纤维经过清洗处理后，在1.0mol/L的三氯化铁溶液中浸泡25min，室温下自然晾干或烘干，然后将处理过的纤维放入充满吡咯蒸汽的密闭容器中0℃反应20min，最后分别用乙醇和去离子水洗涤，自然晾干或烘干，即得到导电纤维A。
2)纳米铂-聚吡咯层的原位合成
将导电纤维A在浓度为0.7mol/L的氯铂酸水溶液中浸泡1h，然后浸入浓度为0.03mol/L的吡咯水溶液中，室温下反应6h，最后分别用乙醇和去离子水洗涤，自然晾干或烘干，即得到聚吡咯/纳米铂复合导电纤维。
从图1聚吡咯/纳米铂复合导电纤维扫描电镜图可以看出，聚吡咯在纤维表面形成的导电层比较致密，致密的结构有利于提高复合导电纤维的耐水洗性、导电耐久性。
从图2聚吡咯/纳米铂复合导电纤维的透射电镜可以看出，铂(图中颜色较深的部分)是以纳米颗粒的形式分散在聚吡咯基体中。
在图3聚吡咯/纳米铂复合导电纤维(实施例1的产物)的XRD谱图中，2θ在39.9°、46.5°、67.8°、81.2°、85.7°处，分别对应的是Pt面心立方的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面衍射峰，说明体系中Pt的存在。
所得复合导电纤维中聚吡咯层的厚度约为500nm，纳米铂-聚吡咯层的厚度约为40nm，复合导电纤维的比电阻为4.0×105Ω·cm。
实施例2：
1)聚吡咯层的原位合成
将粘胶纤维经过清洗处理后，在0.5mol/L的三氯化铁溶液中浸泡20min，室温下自然晾干或烘干，然后将处理过的纤维放入充满吡咯蒸汽的密闭容器中10℃反应10min，最后分别用乙醇和去离子水洗涤，自然晾干或烘干，即得到导电纤维A。
2)纳米铂-聚吡咯层的原位合成
将导电纤维A在浓度为1.0mol/L的氯铂酸水溶液中浸泡1.5h，然后浸入浓度为0.1mol/L的吡咯水溶液中，室温下反应8h，最后分别用乙醇和去离子水洗涤，自然晾干或烘干，即得到聚吡咯/纳米铂复合导电纤维。
所得复合导电纤维中聚吡咯层的厚度约为100nm，纳米铂-聚吡咯层的厚度约为100nm，复合导电纤维的比电阻为2.0×106Ω·cm。
实施例3～5：制备方法同实施例1～2，改变各工艺条件，结果见表1：
表1
 序号   实施例3   实施例4   实施例5
 纤维名称   涤纶   尼龙   丙纶
 三氯化铁浓度(mol/L)   2.0   0.7   1.5
 三氯化铁溶液中浸泡时间(h)   15   10   30
 聚吡咯聚合温度(℃)   20   40   5
 聚吡咯聚合时间(h)   15   5   30
 氯铂酸浓度(mol/L)   0.1   0.3   0.5
  氯铂酸溶液中浸泡时间(h)   0.5   1   2
  吡咯浓度(mol/L)   0.01   0.05   0.07
  反应时间(h)   7   6   10
  聚吡咯层厚度(nm)   700   30   900
  纳米铂-聚吡咯层厚度(nm)   10   30   90
  复合导电纤维比电阻(Ω·cm)   6.5×104   3.8×107   8.1×103

Claims (9)

1.一种聚吡咯/纳米铂复合导电纤维的制备方法，包括以下步骤：
1)聚吡咯层的原位合成
将纤维在三氯化铁的乙醇溶液中浸泡10～30min，室温下自然晾干或烘干，然后将处理过的纤维放入充满吡咯蒸汽的密闭容器中0～30℃反应5～30min，最后分别用乙醇和去离子水洗涤，自然晾干或烘干，即得到导电纤维A；
2)纳米铂-聚吡咯层的原位合成
将导电纤维A在浓度为0.1～1.0mol/L的氯铂酸水溶液中浸泡0.5～2h，然后浸入浓度为0.01～0.1mol/L的吡咯水溶液中，室温下反应6～10h，最后分别用乙醇和去离子水洗涤，自然晾干或烘干，即得到聚吡咯/纳米铂复合导电纤维。
2.根据权利要求1的一种聚吡咯/纳米铂复合导电纤维的制备方法，其特征在于所述三氯化铁的乙醇溶液，浓度为0.5～2.0mol/L。
3.一种以权利要求2的聚吡咯/纳米铂复合导电纤维的应用方法，其特征在于以所述的导电纤维织布，或同普通纤维以1∶10～100的比例混纺，获得具有抗静电、电磁屏蔽功能的纺织品。
4.一种如权利要求1或2所述的聚吡咯/纳米铂复合导电纤维，其特征在于具有纤维/聚吡咯层/纳米铂-聚吡咯层的皮芯结构。
5.根据权利要求4所述的一种聚吡咯/纳米铂复合导电纤维，其特征在于所述的纤维包括天然纤维、人造纤维和合成纤维之一或其组合。
6.根据权利要求4所述的一种聚吡咯/纳米铂复合导电纤维，其特征在于所述的聚吡咯层是采用化学氧化法在纤维表面原位合成的，厚度在30～900nm。
7.根据权利要求6所述的一种聚吡咯/纳米铂复合导电纤维，其特征在于所述的纳米铂-聚吡咯层是在纤维/聚吡咯层上原位合成的，厚度在10～100nm。
8.根据权利要求4所述的一种聚吡咯/纳米铂复合导电纤维，其特征在于所述的纳米铂-聚吡咯层中铂是以纳米颗粒的形式分散在聚吡咯基体中。
9.一种具有抗静电、电磁屏蔽功能的纺织品，其特征在于以如权利要求1或2所述的聚吡咯/纳米铂复合导电纤维纺织而成，或以聚吡咯/纳米铂复合导电纤维同普通纤维以1∶10～100的比例混纺而成。
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