CN102121192B - 一种弹性导电复合纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹性导电复合纤维及其制备方法。所述的弹性导电复合纤维包括芯层和皮层，其特征在于，所述皮层由导电粒子组成，芯层为弹性聚合物纤维。所述的制备方法将导电粒子10wt%～90wt%、处理剂5wt%～20wt%以及余量的溶剂配置成导电粒子预处理液；将弹性聚合物纤维浸入到上述导电粒子预处理液中，超声处理10～500s后，取出，清洗，烘干，制备出弹性导电复合纤维。本发明通过简单的步骤和较低的成本得到同时具有高弹力学性能、导电能力和可编织性的导电纤维。这种新型聚氨酯复合导电纤维与织物除了具备传统的抗静电、电磁屏蔽功能特性外，还在气体和液体传感、温度传感等方面极具应用前景。

Description

一种弹性导电复合纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种弹性导电复合纤维及其制备方法，属于功能纤维技术领域。

背景技术

导电纤维是在20世纪60年代出现的一种新的纤维品种，通常把电导率大于10^-8 W^-1cm^-1 (20℃、65 % RH条件下) 的纤维定义为导电纤维。自1974年美国杜邦公司采用复合纺丝技术成功制备出以炭黑为导电芯层的复合导电纤维以来，导电纤维在抗静电纺织品、防爆和电磁屏蔽等方面得到了广泛的应用，还在诸如各种有毒、有害气体与液体，大气污染、工业废气和废水等监测所使用的气体、液体传感元件和器件中极具潜在应用。聚合物导电纤维材料中的有效导电通道在外界条件刺激下能够快速可逆响应，具有微型、智能、多功能传感特别是现时监测等优势，加上制备导电复合纤维成本低、导电复合纤维柔顺性好，可编织，耐洗磨，在多功能传感器和材料损伤自监测等方面的应用前景光明。

有机导电纤维制作比较成熟的工艺是采用复合纺丝技术，即把含导电碳黑的母粒作为芯组分、常规聚合物为皮层组分来制得皮芯结构的复合型导电纤维。这种导电纤维的质量和性能较好，使用范围广，但由于特殊的纺丝工艺而导致其成本较高。将聚合物与导电粒子共混物纺丝来制备导电纤维因制备工艺相对简单、成本较低而受到重视。如将导电组分（碳纳米管、碳黑等）或含有导电组分的母粒与聚合物基体共混，再进一步纺丝得到导电纤维（CN 1569939A，CN 1438363A，CN 101158058A，CN 1584140A和CN 1563526A）。对共混物直接纺丝而言，通常需要加入含量较高的导电粉体来提高导电纤维的电学性能，这不仅会使纺丝熔体过滤性变差，给共混纺丝造成困难，而且还会导致纤维的力学性能大幅度下降。同时在分散与纺丝过程中采用强大的剪切力还会破坏导电粒子的结构，造成导电性能大幅度降低。采用可溶性导电聚合物与常规纤维材料共混也是一种制作导电纤维的好方法，如将有机磺酸掺杂的可溶性聚苯胺与聚丙烯腈共同溶解在混合溶剂中，采用湿法纺丝技术将混合溶液纺丝成型制作导电纤维（CN 1450210A），但其电导率偏低。后处理法主要是采用简单的涂层法和物理沉积法在普通纤维表层形成导电层，或将导电高分子单体吸附在纤维表面进行原位反应，赋予普通纤维导电能力。如利用聚丙烯腈初级溶胀纤维结构疏松并存在大量微孔的特点，浸渍在含有铜离子和硫离子的反应浴中，使硫化铜嵌入纤维内部，或沉积在纤维表面层上来制备耐久性导电纤维（CN 87104346A）；将纤维在含有二价铜盐及含硫还原剂的溶液中煮染一定时间，制得导电纤维（CN 1214380A）；对聚酯、粘胶或羊毛用氧化剂进行预处理，再在其表面涂覆本征导电单体（CN 1749476A）；更常见的是对常规纤维进行预处理，进而涂敷导电粒子制备导电纤维（CN 1424455A，CN 1687511A，US 6703123，US 4716055，US 4061827）。还有一些改进的制作导电纤维的方法，如芯层为聚酯、皮层为含有导电组分的聚丙烯的皮芯结构导电纤维（CN 101086088A）；通过增加增塑剂将导电组分碳黑及金属粉末渗透到合成纤维、织物外层的方法（UK 1,417,394和US 4061827）。目前应用较广的碳黑涂覆型有机导电纤维的电导率通常在10^-5W^-1cm^-1左右。但后处理容易损伤纤维结构，且导电涂层在洗涤与摩擦中容易脱落，还会使普通纤维失去了原有的良好力学性能，难以进一步编织成织物，特别是其偏低的电导率限制了它的应用范围。我们曾就在弹性聚合物表面粘附碳纳米管制作高弹高导复合纤维申请了一项发明专利（CN 101487148A），涉及应力传感领域的应用。本专利中，我们将采用价格更为低廉的导电组分来弹性导电复合纤维的，并将导电纤维的应用拓展到气体、液体及温度传感等领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种弹性导电复合纤维及其制备方法，通过简单的步骤和较低的成本得到同时具有高弹力学性能、导电能力和可编织性的导电纤维。

为了达到上述目的，本发明提供了一种弹性导电复合纤维，包括芯层和皮层，其特征在于，所述皮层由导电粒子组成，芯层为弹性聚合物纤维。

所述皮层与芯层的重量比为1～40:60～99。

所述弹性聚合物纤维为聚氨酯纤维。

所述的导电粒子为碳黑、石墨、石墨烯和金属纳米粒子中的一种或两种以上的组合。

本发明还提供了上述弹性导电复合纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤为：将导电粒子10wt%～90wt%、处理剂5wt%～20 wt %以及余量的溶剂配置成导电粒子预处理液；将弹性聚合物纤维浸入到上述导电粒子预处理液中，超声处理10～500s，取出，清洗，烘干去除处理剂和溶剂，制备出弹性导电复合纤维。

所述超声处理的频率为35kHz或53kHz，功率为50～250W。

所述的处理剂为0.01～1wt%的盐酸溶液。

所述溶剂为四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二氯乙烷、三氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳、甲醇、乙醇和丙酮中的一种或两种以上的组合。

所得的弹性导电复合纤维的体积电导率为10^-7～10² W^-1·cm^-1，断裂伸长为500%～1500%。

本发明的优点是：

1、保留了聚氨酯的高弹力学性能；

2、所得的导电复合纤维导电能力接近导体水平，电导率可在大范围内进行调整；

3、此导电复合纤维导电性持久，耐洗、耐揉，具有很好的可编织性；

4、制备工艺和设备简单易操作，制备成本低廉，适用于连续化、规模化生产，并具有广泛的应用潜力。

5、这种聚氨酯复合导电纤维与织物不但可有效用作抗静电、电磁屏蔽纤维材料，还对气体、液体及温度等表现出良好的响应特性，可构筑成多功能传感器核心敏感元件，适用于各种需要对有机气体、液体和（或）温度进行实时检测的场合。

附图说明

    图1为碳黑/聚氨酯复合导电纤维表面的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例 1

对商品化聚氨酯纤维先进行去油化处理后，取出烘干；对碳黑（粒径50nm）进行预处理，配置碳黑/四氢呋喃分散液，其中碳黑所占份额为10wt%，处理剂为5wt%，所述处理剂为0.01wt%的盐酸溶液，超声30分钟，使其分散均匀。将聚氨酯纤维浸入碳黑/四氢呋喃分散液中，温度控制在20℃；超声作用10s，频率35kHz，功率50W，取出，用去离子水清洗，烘干去除处理剂和溶剂，得到复合导电纤维，皮层与芯层重量比为10:90。此复合纤维导电率为10^-7 W^-1·cm^-1，断裂伸长为1500%，。

实施例2

对商品化聚氨酯纤维先进行去油化处理后，取出烘干；对石墨（粒径50nm）进行预处理，配置石墨/二甲基甲酰胺分散液，其中石墨所占份额为10wt%，处理剂为5wt%，所述处理剂为1wt%的盐酸溶液，超声30分钟，使其分散均匀。将聚氨酯纤维浸入石墨/二甲基甲酰胺分散液中，温度控制在40℃，超声作用500s，频率53kHz，功率250W，取出，用去离子水清洗，烘干去除处理剂和溶剂，得到复合导电纤维，皮层与芯层重量比为10:90。此复合纤维导电率为10^-2 W^-1·cm^-1，断裂伸长为1500%。

实施例3

　　对商品化聚氨酯纤维先进行去油化处理后，取出烘干；对石墨烯（粒径100nm）进行预处理，配置石墨烯/二甲基乙酰胺分散液，其中石墨烯所占份额为10wt%，处理剂为5wt%，所述处理剂为0.01wt%的盐酸溶液，超声30分钟，使其分散均匀。将处理后的聚氨酯纤维浸入石墨烯/二甲基乙酰胺分散液中，温度控制在40℃；超声作用10s，频率35kHz，功率100W，取出，用去离子水清洗，烘干去除处理剂和溶剂，得到复合导电纤维，皮层与芯层重量比为10:90，此复合纤维导电率为10^-3 W^-1·cm^-1，断裂伸长为1500%。

实施例4

对商品化聚氨酯纤维先进行去油化处理后，取出烘干；对金属颗粒（粒径100nm）进行预处理，配置金属颗粒/二甲基亚砜分散液，其中金属颗粒所占份额为10wt%，处理剂为5wt%，所述处理剂为1wt%的盐酸溶液，超声30分钟，使其分散均匀。将处理后的聚氨酯纤维浸入金属颗粒/二甲基亚砜分散液中，温度控制在40℃；超声作用200s，频率53kHz，功率250W，取出，用去离子水清洗，烘干，去除处理剂和溶剂，得到复合导电纤维，皮层与芯层重量比为20:80。此复合纤维导电率为10⁰ W^-1·cm^-1，断裂伸长为1500%。

实施例5

对碳黑（粒径100nm）进行预处理，配置碳黑/二氯乙烷分散液，包含碳黑所占份额为90wt%，处理剂为20wt%，所述处理剂为0.01wt%的盐酸溶液，超声30分钟，使其分散均匀。将纯聚氨酯纤维浸入碳黑/二氯乙烷分散液中，温度控制在20℃；超声作用500s，频率35kHz，功率50W，取出，用去离子水清洗，烘干，去除处理剂和溶剂，得到复合导电纤维，皮层与芯层重量比为20:80，此复合纤维导电率为10^-3W^-1·cm^-1，断裂伸长为1500%。

实施例6

对石墨（粒径100nm）进行预处理，配置石墨/三氯甲烷分散液，其中石墨所占份额为90wt%，处理剂为20wt%，所述处理剂为1wt%的盐酸溶液，超声30分钟，使其分散均匀。将纯聚氨酯纤维浸入石墨/三氯甲烷分散液中，温度控制在20℃；超声作用500s，频率53kHz，功率250W，取出，用去离子水清洗，烘干，去除处理剂和溶剂，得到复合导电纤维，皮层与芯层重量比为20:80，此复合纤维导电率为10^-1W^-1·cm^-1，断裂伸长为500%。

实施例7

对石墨烯（粒径50nm）进行预处理，配置石墨烯/三氯甲烷分散液，其中石墨烯90wt%，处理剂20wt%，所述处理剂为0.01wt%的盐酸溶液，超声30分钟。将纯聚氨酯纤维浸入石墨烯/三氯甲烷分散液中，温度控制在20℃；超声作用500s，频率35kHz，功率50W，取出，用去离子水清洗，烘干去除处理剂和溶剂，得到复合导电纤维，皮层与芯层重量比为20:80，此复合纤维导电率为10^-2W^-1·cm^-1，断裂伸长为500%。

实施例8

金属颗粒（粒径50nm）进行预处理，配置金属颗粒/二硫化碳分散液，其中金属颗粒所占份额为90wt%，处理剂为20wt%，所述处理剂为1wt%的盐酸溶液，超声30分钟，使其分散均匀。将纯聚氨酯纤维浸入金属颗粒/二硫化碳分散液中，温度控制在40℃；超声作用500s，频率53kHz，功率250W，取出，用去离子水清洗，烘干，去除处理剂和溶剂，得到复合导电纤维，皮层与芯层重量比为40:60。此复合纤维导电率为10²W^-1·cm^-1，断裂伸长为500%。此金属/聚氨酯复合导电纤维可用于温度传感，响应时间为秒量级，电阻响应率为20% K^-1。

实施例9

对石墨（粒径50nm）进行预处理，配置石墨/甲醇、乙醇、丙酮分散液，其中石墨所占份额为90wt%，处理剂为20wt%，所述处理剂为0.01wt%的盐酸溶液，超声30分钟，使其分散均匀。将纯聚氨酯纤维浸入石墨/甲醇、乙醇、丙酮分散液中，其中甲醇、乙醇、丙酮体积比为1：1：1，温度控制在40℃；超声作用500s，频率35kHz，功率50W，取出，用去离子水清洗，烘干去除处理剂和溶剂，得到复合导电纤维，皮层与芯层重量比为1:99。此复合纤维导电率为10^-1W^-1·cm^-1，断裂伸长为500%。此石墨/聚氨酯复合导电纤维可用于液体传感，响应时间为秒量级，电阻响应率为1000% K^-1。

Claims (6)

1.一种弹性导电复合纤维，包括芯层和皮层，其特征在于，所述皮层由导电粒子组成，芯层为弹性聚合物纤维，其制备方法为：将导电粒子10wt%～90wt%、处理剂5wt%～20 wt %以及余量的溶剂配置成导电粒子预处理液，所述的处理剂为0.01～1wt%的盐酸溶液，所述的导电粒子为碳黑、石墨、石墨烯和金属纳米粒子中的一种或两种以上的组合；将弹性聚合物纤维浸入到上述导电粒子预处理液中，超声处理10～500s，取出，清洗，烘干去除处理剂和溶剂，制备出弹性导电复合纤维。

2.如权利要求1所述的弹性导电复合纤维，其特征在于，所述皮层与芯层的重量比为1～40:60～99。

3.如权利要求1所述的弹性导电复合纤维，其特征在于，所述弹性聚合物纤维为聚氨酯纤维。

4.如权利要求1所述的弹性导电复合纤维，其特征在于，所述超声处理的频率为35kHz或53kHz，功率为50～250W。

5.如权利要求1所述的弹性导电复合纤维，其特征在于，所述溶剂为四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二氯乙烷、三氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳、甲醇、乙醇和丙酮中的一种或两种以上的组合。

6.如权利要求1所述的弹性导电复合纤维，其特征在于，所得的弹性导电复合纤维的体积电导率为10^-7～10² W^-1·cm^-1，断裂伸长为500%～1500%。