CN102877286A

CN102877286A - 一种导电复合纤维及其制备方法

Info

Publication number: CN102877286A
Application number: CN2012104370615A
Authority: CN
Inventors: 秦宗益; 张晓琳; 刘欣; 吴谦; 梁浜雷; 陈龙
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-11-05
Also published as: CN102877286B

Abstract

本发明涉及一种导电复合纤维及其制备方法，所述导电复合纤维具有皮芯结构，包含导电粒子和有机纤维，其中导电粒子的质量百分含量为0.5～10%，有机纤维的质量百分含量为90～99.5%。制备方法包括：（1）将有机纤维在预处理液中进行预处理，然后吹干；（2）将上述纤维浸入导电粒子的水分散液中，在冰水浴中超声辅助将导电粒子吸附到纤维外层，浸润，晾干，然后再用盐酸水溶液进行浸润、清洗、烘干，即得导电复合纤维。本发明制备无需有机溶剂，绿色环保，工艺简便，成本低廉，可连续化、规模化生产；所得产品有导电率高、导电成分不易脱落、导电性能持久、手感柔软和可编织等优点；可用作抗静电与电磁屏蔽材料，储能电极材料等。

Description

一种导电复合纤维及其制备方法

技术领域

本发明属于复合纤维及其制备领域，特别涉及一种导电复合纤维及其制备方法。

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^-8Ω^-1cm^-1(20℃、65%RH条件下)的纤维定义为导电纤维。1974年美国杜邦公司首先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，虽然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。常见的是将导电粒子与聚合物基体共混，进一步纺丝得到导电纤维（CN1563526，CN1584141，CN102534868A，CN102560746A，CN102517683A，CN102102231A，CN1431342和CN101187078）。但要想获得较高的电导率，就必须加大导电粒子的添加量，这既影响共混物的可纺性，也会大幅度降低纤维的力学性能。采用后处理的方法则可以很好地保留有机纤维固有的良好的力学性能。后处理法主要是采用化学镀和物理沉积法在普通纤维表层形成导电层（CN102051803A和CN101705614A），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（CN101070672和CN1099443），而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（CN1749476）。

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^-5Ω^-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。陈威等人通过化学修饰的方法在芳纶纤维形成一定比例的自由氨基基团，浸泡在N-甲基吡咯烷酮溶液中，通过超声辅助，与表面羧基化的碳纳米管反应，部分碳纳米管进入到Kevlar纤维内部，而另一部分则通过与氨基形成酰胺键而固定在纤维表面（CN101831800A）。李耀刚等人先用碱处理聚丙烯腈，通过KH550改性制备出氧化石墨改性的聚丙烯腈纤维，并将其置于氧化石墨的分散液中，滴加水合肼水溶液，加热反应，得到一种石墨烯包覆聚丙烯腈纤维（CN102619080A）。我们曾利用有机纤维溶胀所形成的松散结构，将分散在有机溶剂中的导电粒子嵌入或吸附到高弹性纤维外部得到皮芯结构的导电纤维（CN101487148A，CN102121192A和CN102199871A），在保证纤维原有的高弹性的基础上，其电导率可达10²Ω^-1cm^-1左右。本专利则提出更为绿色环保的制备方法，无需将导电粒子分散到有机溶剂中，整个制备过程在水相中进行，所制备的导电复合纤维具有导电率高、导电成分不易脱落、导电性能持久、手感柔软和可编织等优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种导电复合纤维及其制备方法，利用吸附在有机纤维上的苯胺或吡咯与导电粒子的强相互作用力，将导电粒子吸附到纤维表面，制备出导电复合纤维。制备过程无需有机溶剂，绿色环保，工艺简便，成本低廉，可连续化、规模化生产。

本发明的一种导电复合纤维，具有皮芯结构，包含导电粒子和有机纤维，其中导电粒子的质量百分含量为0.5～10%，有机纤维的质量百分含量为90～99.5%。

所述导电粒子为碳纳米管、石墨烯、氧化石墨或纳米尺寸的石墨粉。

所述有机纤维为聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚氨酯纤维、棉纤维、聚丙烯腈纤维、再生纤维素纤维、聚已内酰胺纤维或聚乙烯醇纤维。

本发明的一种导电复合纤维的制备方法，包括：

（1）将有机纤维在预处理液中进行预处理，然后吹干；

（2）将上述纤维浸入导电粒子的水分散液中，在冰水浴中超声辅助将导电粒子吸附到纤维外层，浸润，晾干，然后再用盐酸进行浸润、清洗、烘干，即得导电复合纤维。

所述步骤（1）中预处理液为饱和苯胺或饱和吡咯水溶液，预处理时间为5~30min。

所述步骤（2）中水分散液中导电粒子的浓度为1～40mg/ml。

所述步骤（2）中纤维在水分散液中的浸润时间为1~60min。

所述步骤（2）中所述盐酸浓度为0.5~3mol/ml。

所述步骤（2）中纤维在盐酸中的浸润时间为10~60min。

有益效果

（1）本发明制备过程无需有机溶剂，绿色环保，工艺简便，成本低廉，可实现连续化、规模化生产；

（2）本发明制备的导电复合纤维导电率高、导电成分不易脱落、导电性能持久、手感柔软和可编织等优点；

（3）本发明制备的导电复合纤维可用作抗静电与电磁屏蔽材料，储能电极材料，气体、液体与生物传感材料和金属与有机污染物吸附材料等。

附图说明

图1为实施例1中石墨烯在聚氨酯纤维表面复合的扫描电镜图及导电纤维图；

图2为实施例2中碳纳米管在聚酰胺纤维表面复合的扫描电镜图；

图3为实施例5中石墨烯/再生纤维素纤维导电复合纤维的储能电化学行为；

图4为实施例6中石墨烯/聚氨酯导电复合纤维的气敏传感曲线。

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

先将聚氨酯纤维在苯胺饱和水溶液中进行预处理5min，取出阴凉处吹干；再浸到1.1mg/ml石墨烯水分散液中，在冰水浴中超声辅助将石墨烯吸附到纤维外层，浸润时间为1min，取出晾干；然后将上述纤维浸到浓度为3mol/ml的盐酸溶液中，浸润时间为30min，清洗、烘干，制备出导电复合纤维（见图1），其中石墨烯占导电纤维的质量百分比为0.5％，导电纤维电导率为6.9×10¹Ω^-1·cm^-1。

实施例2

先将聚酰胺纤维在苯胺饱和水溶液中进行预处理12min，阴凉处吹干；再浸到40mg/ml碳纳米管水分散液中，在冰水浴中超声辅助将碳纳米管吸附到纤维外层，浸润时间为35min，取出晾干；然后将上述纤维浸到浓度为2mol/ml的盐酸溶液中，浸润时间为20min，清洗、烘干，制备出导电复合纤维（见图2），其中碳纳米管占导电纤维的质量百分比为9％，导电纤维电导率为1.2×10²Ω^-1·cm^-1。

实施例3

先将聚酰胺纤维在吡咯饱和水溶液中进行预处理15min，阴凉处吹干；再浸到5mg/ml氧化石墨水分散液中，在冰水浴中超声辅助将氧化石墨吸附到纤维外层，浸润时间为25min，取出晾干；然后将上述纤维浸到浓度为1mol/ml的盐酸溶液中，浸润时间为60min，清洗、烘干，制备出导电复合纤维，其中氧化石墨占导电纤维的质量百分比为6％，导电纤维电导率为3.6×10^-4Ω^-1·cm^-1。

实施例4

先将聚丙烯腈纤维在吡咯饱和水溶液中进行预处理30min，阴凉处吹干；再浸到20mg/ml碳纳米管水分散液中，在冰水浴中超声辅助将碳纳米管吸附到纤维外层，浸润时间为17min，取出晾干；然后将上述纤维浸到浓度为1.5mol/ml的盐酸溶液中，浸润时间为45min，清洗、烘干，制备出导电复合纤维，其中碳纳米管占导电纤维的质量百分比为8％，导电纤维电导率为1.4×10²Ω^-1·cm^-1。

实施例5

先将再生纤维素纤维在苯胺饱和水溶液中进行预处理20min，阴凉处吹干；再浸到3mg/ml石墨烯水分散液中，在冰水浴中超声辅助将石墨烯吸附到纤维外层，浸润时间为60min，取出晾干；然后将上述纤维浸到浓度为0.5mol/ml的盐酸溶液中，浸润时间为10min，清洗、烘干，制备出导电复合纤维，其中石墨烯占导电纤维的质量百分比为3％，导电纤维电导率为8.7×10¹Ω^-1·cm^-1。以导电纤维为工作电极，并以Pt电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，加入0.5M Na₂SO₄电解液，组成三电极系统。在10mV/s的扫描速率下，测得的比电容值约为110F/g（见图3）；循环1000次后比电容值的衰减不超过20%。

实施例6

先将聚氨酯纤维在吡咯饱和水溶液中进行预处理8min，阴凉处吹干；再浸到24mg/ml碳纳米管水分散液中，在冰水浴中超声辅助将碳纳米管吸附到纤维外层，浸润时间为28min，取出晾干；然后将上述纤维浸到浓度为1.5mol/ml的盐酸溶液中，浸润时间为16min，清洗、烘干，制备出导电复合纤维，其中碳纳米管占导电纤维的质量百分比为8.6％，导电纤维电导率为9.3×10¹Ω^-1·cm^-1。此导电纤维可用于气体传感，对氯仿气体而言，其响应时间为秒量级（见图4）。

Claims

1.一种导电复合纤维，其特征在于：所述导电复合纤维具有皮芯结构，包含导电粒子和有机纤维，其中导电粒子的质量百分含量为0.5～10%，有机纤维的质量百分含量为90～99.5%。

2.根据权利要求1所述的一种导电复合纤维，其特征在于：所述导电粒子为碳纳米管、石墨烯、氧化石墨或纳米尺寸的石墨粉。

3.根据权利要求1所述的一种导电复合纤维。其特征在于：所述有机纤维为聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚氨酯纤维、棉纤维、聚丙烯腈纤维、再生纤维素纤维、聚已内酰胺纤维或聚乙烯醇纤维。

4.根据权利要求1~3任一所述的一种导电复合纤维的制备方法，包括：

（1）将有机纤维在预处理液中进行预处理，然后吹干；

5.根据权利要求4所述的一种导电复合纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中预处理液为饱和苯胺或饱和吡咯水溶液，预处理时间为5~30min。

6.根据权利要求4所述的一种导电复合纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中水分散液中导电粒子的浓度为1～40mg/ml。

7.根据权利要求4所述的一种导电复合纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中纤维在水分散液中的浸润时间为1~60min。

8.根据权利要求4所述的一种导电复合纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中所述盐酸浓度为0.5~3mol/ml。

9.根据权利要求4所述的一种导电复合纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中纤维在盐酸中的浸润时间为10~60min。