发明内容
本发明的目的是提供一种将不同形貌和性质的纳米ATO和碳纳米管复配的聚丙烯导电纤维的制备方法。
本发明的技术方案是:一种碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯导电纤维的制备方法,它的步骤如下:
(1)将纳米ATO和碳纳米管混合后与分散剂一起置于有机溶剂进行表面处理,得到双组分纳米导电剂,纳米ATO和碳纳米管的质量比为1:1 ~ 100;
(2)将双组分纳米导电剂与聚丙烯切片混合,使用双螺杆挤出机或单螺杆挤出机,熔融共混并制带造粒,得到双组分纳米导电剂/聚丙烯复合导电切片,双组分纳米导电剂与聚丙烯的质量比为1:4 ~ 200;
(3)将复合切片熔融纺丝,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维;
(4)将碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维牵伸定型,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维。
所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的至少一种。
所述单壁碳纳米管、多壁碳纳米管经酸化处理。
所述的纳米ATO为灰白色-蓝色粉体,PH值为4.0~7.0,粒径为 20~100nm。
所述步骤(1)中分散剂为硅烷偶联剂(KH550、KH560或KH570)或钛酸酯偶联剂(NDZ-101、NDZ-201),分散剂用量为双组分纳米导电剂质量的0.5~4%,每1g分散剂使用有机溶剂20~60ml,所述有机溶剂为乙醇、乙二醇、三氯甲烷、四氢呋喃或丙酮。
所述步骤(1)中纳米ATO和碳纳米管优选质量比为1:10 ~50。
所述步骤(2)中双组分纳米导电剂与聚丙烯优选质量比为1:5 ~ 50。
所述步骤(2)中双螺杆挤出机或单螺杆挤出机造粒的温度为150℃~230℃。
所述步骤(3)中纺丝温度200℃~260℃,纺丝速度为200m/min~1000 m/min。
所述步骤(4)中初生导电纤维的牵伸定型:将初生纤维经70℃~120℃热牵伸,牵伸倍数为1.5~5倍。
本发明所使用的碳纳米管可以是单壁碳纳米管、多壁碳纳米管的一种或是它们的混合物。
本发明所使用可以是未经纯化的,也可以是用强氧化性酸或其它氧化剂酸化处理的。所述的强氧化性的酸或其它氧化剂包括硝酸、硫酸、盐酸、高锰酸钾或重铬酸钾中的一种或它们的混合物。
所述聚丙烯是常规纺织用丙纶切片。
本发明的有益效果是:本发明将将不同形貌和性质的纳米ATO和碳纳米管复配,使不同填料在聚合物基体中相互分散在彼此的间隙内,可增大填料的填充因数。对导电复合材料来说,体系的电性能最终是由其所形成的导电网络所控制,复合导电纤维中存在着两种填料的导电特性,其中细长的碳纳米管提供远程导电,粒状的纳米ATO则提供近程导电。同时纳米ATO还对相邻碳纳米管的搭接起了“桥接”作用,两者之间表现出一种协同作用。从而在聚合物基体中形成更多的导电通路网络,降低电阻。这种方法降低材料的导电填料含量、提高导电性同时改善材料的电性能稳定性,价钱便宜、对设备无特殊要求。本发明工艺路线经济、简便、可工业化生产。
具体实施方式
实施例1
将纳米ATO和多壁碳纳米管按照1: 1的质量比混合后与KH570一起置于乙醇中充分搅拌均匀,把表面处理过的复配纳米导电剂干燥。KH570用量为复配纳米导电剂质量的1%,每1g分散剂使用乙醇40ml;
取10g表面处理过的双组分纳米导电剂与490g聚丙烯切片混合,在双螺杆挤出机熔融共混并制带造粒。双螺杆挤出机各区温度如下:
分区 |
一区 |
二区 |
三区 |
四区 |
五区 |
温度(℃) |
160 |
205 |
210 |
210 |
220 |
将复合切片按照常规熔融纺丝方法进行纺丝、牵伸,纺丝温度220℃,纺丝速度为800 m/min,在100℃热牵伸,牵伸倍数为3倍。此纤维的二元纳米导电剂的质量分数为2%,纳米ATO与多壁碳纳米管的质量比为1:1。纤维的电导率为10-7 S/cm,强度为3.68 CN/dtex。
实施例2
将纳米ATO和多壁碳纳米管按照1: 1的质量比混合后与KH570一起置于乙醇中充分搅拌均匀,把表面处理过的复配纳米导电剂干燥。KH570用量为复配纳米导电剂质量的1%,每1g分散剂使用乙醇40ml;
取20g表面处理过的双组分纳米导电剂与380g聚丙烯切片混合,在双螺杆挤出机熔融共混并制带造粒。双螺杆挤出机各区温度如下:
分区 |
一区 |
二区 |
三区 |
四区 |
五区 |
温度(℃) |
170 |
200 |
205 |
205 |
210 |
将复合切片按照常规熔融纺丝方法进行纺丝、牵伸,纺丝温度220℃,纺丝速度为800 m/min,在100℃热牵伸,牵伸倍数为3倍。此纤维的二元纳米导电剂的质量分数为5%,纳米ATO与多壁碳纳米管的质量比为1:1。纤维的电导率为10-5 S/cm,强度为3.42 CN/dtex。
实施例3
将纳米ATO和单壁碳纳米管按照1: 0.5的质量比混合后与钛酸酯偶联剂NDZ-101一起置于乙醇中充分搅拌均匀,把表面处理过的复配纳米导电剂干燥。NDZ-101用量为复配纳米导电剂质量的2%,每1g分散剂使用乙醇50ml;
取100g表面处理过的双组分纳米导电剂与900g聚丙烯切片混合,在双螺杆挤出机熔融共混并制带造粒。双螺杆挤出机各区温度如下:
分区 |
一区 |
二区 |
三区 |
四区 |
五区 |
温度(℃) |
170 |
210 |
215 |
215 |
225 |
将复合切片按照常规熔融纺丝方法进行纺丝、牵伸,纺丝温度240℃,纺丝速度为400 m/min,在100℃热牵伸,牵伸倍数为2倍。此纤维的二元纳米导电剂的质量分数为10%,纳米ATO与单壁碳纳米管的质量比为1:1。纤维的电导率为10-3 S/cm,强度为2.17 CN/dtex。
实施例4
将纳米ATO和单壁碳纳米管按照1: 2的质量比混合后与钛酸酯偶联剂NDZ-101一起置于丙酮中充分搅拌均匀,把表面处理过的复配纳米导电剂干燥。NDZ-101用量为复配纳米导电剂质量的1%,每1g分散剂使用乙醇20ml;
取150g表面处理过的双组分纳米导电剂与850g聚丙烯切片混合,在双螺杆挤出机210℃熔融共混并制带造粒。双螺杆挤出机各区温度如下:
分区 |
一区 |
二区 |
三区 |
四区 |
五区 |
温度(℃) |
180 |
210 |
215 |
220 |
230 |
将复合切片按照常规熔融纺丝方法进行纺丝、牵伸,纺丝温度250℃,纺丝速度为200 m/min,在110℃热牵伸,牵伸倍数为1.5倍。此纤维的二元纳米导电剂的质量分数为15%,纳米ATO与单壁碳纳米管的质量比为1:2。纤维的电导率为10-2 S/cm,强度为1.85 CN/dtex。
实施例5
一种碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯导电纤维的制备方法,它的步骤如下:
(1)将纳米ATO和单壁碳纳米管混合后与分散剂一起置于有机溶剂进行表面处理,得到双组分纳米导电剂,纳米ATO和单壁碳纳米管的质量比为1:10,纳米ATO为灰白色-蓝色粉体,PH值为5.0,粒径为80~100nm,分散剂为硅烷偶联剂,分散剂用量为双组分纳米导电剂质量的0.5%,每1g分散剂使用有机溶剂30ml,所述有机溶剂为乙醇;
(2)将双组分纳米导电剂与聚丙烯切片混合,使用双螺杆挤出机或单螺杆挤出机,造粒的温度为160℃,熔融共混并制带造粒,得到双组分纳米导电剂/聚丙烯复合导电切片,双组分纳米导电剂与聚丙烯的质量比为1:5;
(3)将复合切片熔融纺丝,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维,纺丝温度200℃,纺丝速度为200m/min;
(4)将碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维经70℃热牵伸,牵伸倍数为1.5倍,定型,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维。
实施例6
一种碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯导电纤维的制备方法,它的步骤如下:
(1)将纳米ATO和经酸化处理的多壁碳纳米管混合后与分散剂一起置于有机溶剂进行表面处理,得到双组分纳米导电剂,纳米ATO和多壁碳纳米管的质量比为1:100,纳米ATO为灰白色-蓝色粉体,PH值7.0,粒径为60~100nm,分散剂为硅烷偶联剂,分散剂用量为双组分纳米导电剂质量的4%,每1g分散剂使用有机溶剂60ml,所述有机溶剂为丙酮;
(2)将双组分纳米导电剂与聚丙烯切片混合,使用双螺杆挤出机或单螺杆挤出机,造粒的温度为150℃~230℃,熔融共混并制带造粒,得到双组分纳米导电剂/聚丙烯复合导电切片,双组分纳米导电剂与聚丙烯的质量比为1:200;
(3)将复合切片熔融纺丝,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维,纺丝温度260℃,纺丝速度为1000 m/min;
(4)将碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维经120℃热牵伸,牵伸倍数为5倍,定型,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维。
实施例7
一种碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯导电纤维的制备方法,它的步骤如下:
(1)将纳米ATO和多壁碳纳米管混合后与分散剂一起置于有机溶剂进行表面处理,得到双组分纳米导电剂,纳米ATO和多壁碳纳米管的质量比为1:50,纳米ATO为灰白色-蓝色粉体,PH值为6.0,粒径为20~40nm,分散剂为钛酸酯偶联剂,分散剂用量为双组分纳米导电剂质量的3%,每1g分散剂使用有机溶剂50ml,所述有机溶剂乙二醇;
(2)将双组分纳米导电剂与聚丙烯切片混合,使用双螺杆挤出机或单螺杆挤出机,造粒的温度为150℃~230℃,熔融共混并制带造粒,得到双组分纳米导电剂/聚丙烯复合导电切片,双组分纳米导电剂与聚丙烯的质量比为1:50;
(3)将复合切片熔融纺丝,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维,纺丝温度220℃,纺丝速度为800 m/min;
(4)将碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维经80℃热牵伸,牵伸倍数为4倍,定型,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维。
实施例8
一种碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯导电纤维的制备方法,它的步骤如下:
(1)将纳米ATO和酸化处理的单壁碳纳米管混合后与分散剂一起置于有机溶剂进行表面处理,得到双组分纳米导电剂,纳米ATO和单壁碳纳米管的质量比为1:20,纳米ATO为灰白色-蓝色粉体,PH值为5.0,粒径为60~100nm,分散剂为钛酸酯偶联剂,分散剂用量为双组分纳米导电剂质量的2%,每1g分散剂使用有机溶剂40ml,所述有机溶剂为四氢呋喃;
(2)将双组分纳米导电剂与聚丙烯切片混合,使用双螺杆挤出机或单螺杆挤出机,造粒的温度为2000℃,熔融共混并制带造粒,得到双组分纳米导电剂/聚丙烯复合导电切片,双组分纳米导电剂与聚丙烯的质量比为1:20;
(3)将复合切片熔融纺丝,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维,纺丝温度240℃,纺丝速度为600 m/min;
(4)将碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维经100℃热牵伸,牵伸倍数为4倍,定型,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维。
实施例9
一种碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯导电纤维的制备方法,它的步骤如下:
(1)将纳米ATO和多壁碳纳米管混合后与分散剂一起置于有机溶剂进行表面处理,得到双组分纳米导电剂,纳米ATO和多壁碳纳米管的质量比为1:30,纳米ATO为灰白色-蓝色粉体,PH值为7.0,粒径为90~100nm,分散剂为硅烷偶联剂,分散剂用量为双组分纳米导电剂质量的2%,每1g分散剂使用有机溶剂50ml,所述有机溶剂为三氯甲烷;
(2)将双组分纳米导电剂与聚丙烯切片混合,使用双螺杆挤出机或单螺杆挤出机,造粒的温度为220℃,熔融共混并制带造粒,得到双组分纳米导电剂/聚丙烯复合导电切片,双组分纳米导电剂与聚丙烯的质量比为1:30;
(3)将复合切片熔融纺丝,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维,纺丝温度250℃,纺丝速度为500 m/min;
(4)将碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维经100℃热牵伸,牵伸倍数为4倍,定型,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维。
实施例10
一种碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯导电纤维的制备方法,它的步骤如下:
(1)将纳米ATO和单壁碳纳米管或多壁碳纳米管混合后与分散剂一起置于有机溶剂进行表面处理,得到双组分纳米导电剂,纳米ATO和碳纳米管的质量比为1:1 ~ 100,纳米ATO为灰白色-蓝色粉体,PH值为4.0~7.0,粒径为 20~100nm,分散剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂,分散剂用量为双组分纳米导电剂质量的0.5~4%,每1g分散剂使用有机溶剂20~60ml,所述有机溶剂为乙醇、乙二醇、三氯甲烷、四氢呋喃或丙酮;
(2)将双组分纳米导电剂与聚丙烯切片混合,使用双螺杆挤出机或单螺杆挤出机,造粒的温度为150℃~230℃,熔融共混并制带造粒,得到双组分纳米导电剂/聚丙烯复合导电切片,双组分纳米导电剂与聚丙烯的质量比为1:4 ~ 200;
(3)将复合切片熔融纺丝,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维,纺丝温度200℃~260℃,纺丝速度为200m/min~1000 m/min;
(4)将碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维经70℃~120℃热牵伸,牵伸倍数为1.5~5倍,定型,得到碳纳米管/纳米ATO/聚丙烯初生导电纤维。
上述实施例中,聚丙烯切片购自辽阳石化,牌号:71735,熔融指数为30~40g/10min(230℃,2.16Kg);单壁碳纳米管购自深圳纳米港,直径<2nm,长度5~15μm,比表面积500~700 m2/g;多壁碳纳米管购自深圳纳米港,直径<10nm,长度5~15μm,比表面积250~300 m2/g;纳米ATO购自上海沪正,SnO2:Sb2O3=95:5。