CN104099684A - 一种聚合物/填料/金属复合纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚合物/填料/金属复合纤维。其包括含有金属短纤维和填料的聚合物纤维，金属短纤维作为分散相分布在聚合物纤维中，并沿着聚合物纤维轴平行分布，填料分散在聚合物纤维内并分布在金属短纤维之间；所述填料在所述聚合物加工温度下不发生熔融；所述金属为低熔点金属，选自单组分金属和金属合金中的至少一种，其熔点在20～480℃，并且其熔点同时低于所述聚合物加工温度；金属短纤维和聚合物纤维体积比为0.01:100～20:100；填料和聚合物的重量比为0.1:100～30:100。本发明复合纤维在降低体积电阻率的同时，降低断丝几率，纤维表面光滑。制备方法简单，生产成本较低，易于工业化大批量生产。

Description

一种聚合物/填料/金属复合纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及合成纤维领域，进一步地说，本发明涉及一种聚合物/填料/金属的复合纤维及其制备方法。

背景技术

相较天然纤维，合成纤维具有价格低廉，密度低和吸湿率低等特性，广泛应用于日常生产生活的纺织服装类、编织袋等领域。但是合成纤维的电绝缘性能好，电阻率高，在使用过程中易产生静电，对工业生产和人民生活都会带来危害。并且随着高科技的发展，由于静电以及静电吸附尘埃是导致现代电子设备运转故障、电路短路、信号丢失、误码、成品率低的直接原因之一。在石油、化工、精密机械、煤矿、食品、医药等行业均对静电的防护有特殊的要求。因此，开发具有优越电性能的纤维从而减少静电带来的危害成为十分迫切的课题。

碳纳米管是有碳六元环组成的类似卷曲石墨的纳米级管状结构。由于碳纳米管具有优异的电学和力学性能，因此被广泛用于聚合物基复合材料或复合纤维领域。但是由于纳米粒子自身的高表面能导致碳纳米管具有严重的团聚效应，从而增加了纳米粒子的填充量和成本。同时，大量的纳米粒子填充给纤维的生产也造成了困难。如何降低碳纳米管用量，减少生产困难是亟待解决的问题。

采用复合导电填料技术加入第三组分是有效提高纤维导电效率，降低碳纳米管含量的有效方法。专利CN102409421A公开了一种制备聚丙烯/纳米二氧化锡/碳纳米管复合纤维的制备方法。该技术虽然降低了复合纤维的电阻率，但是加入的第三组分同样为纳米粒子，增加了加工原料的难度，纤维表面粗糙，手感差，力学性能下降，生产中容易断丝等现象。

近年来，国内外聚合物/低熔点金属复合材料领域出现新的发展。低熔点金属以高电导率、易加工等特性作为一个新的填料被广泛应用于聚合物的复合材料领域。专利CN102021671A公开了一种聚合物/低熔点金属复合导线及其制造方法，同时专利CN102140707A公开了一种皮芯复合电磁屏蔽纤维及其制备方法。上述两项技术利用皮芯复合技术制备聚合物包覆低熔点金属导线或纤维的方法。但是该技术中需要特殊的复合纺丝机，且作为纤维的芯层金属比重加大，虽然保证了纤维较低电阻率，但是需要大量添加金属，增加了生产成本。

发明内容

为了能够以简便和低成本的方法制备具有低体积电阻率和良好手感的复合纤维，提出本发明。

本发明的一个目的是提供一种聚合物/填料/金属复合纤维，该复合纤维具有良好的抗静电性能和手感。

本发明的另一目的是提供上述聚合物/填料/金属复合纤维的制备方法，该方法采用原位法制备聚合物/填料/金属复合纤维，即在聚合物纤维制备过程中作为分散相的低熔点金属由金属颗粒拉伸变形成金属短纤维的制备方法。由于体系中填料的存在，共混过程中体系的粘度提高很大，在相同剪切速率的条件之下，体系受到更大的剪切作用，从而使低熔点金属在高分子材料基体中分散粒径变小，另一方面，也降低了金属颗粒碰撞后重新发生合并的概率，使金属颗粒的粒径变得更小，金属颗粒数量更多，金属颗粒之间距离更小，所以在金属颗粒原位的变形为金属纤维时，使短纤维直径更小，短纤维之间距离更短，从而实现在较低金属填充量的情况下提高纤维抗静电性能的目的。本发明的方法是在现有普通纤维生产设备上实现，从而使制备方法具有良好的适用性和较低设备成本。

本发明的一种聚合物/填料/金属复合纤维，包括含有填料和金属短纤维的聚合物纤维，其微观结构为金属短纤维作为分散相分布在聚合物纤维中，而且作为分散相的金属短纤维沿着聚合物纤维轴平行分布；填料分散在聚合物纤维内，分布在金属短纤维之间。由于填料的存在使短纤维直径更小，短纤维之间距离更短，使得所制备的复合纤维的抗静电性能得到提高，并且保持纤维良好的手感。

本发明的一种聚合物/填料/金属复合纤维中，所述聚合物纤维的聚合物为热塑性树脂，优选为熔点在90～450℃的热塑性树脂，更优选为熔点为100～290℃的热塑性树脂。最优选自聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺或聚酯等中的一种。其中所述的聚酰胺包括现有技术中任何种类的可纺丝聚酰胺，优选尼龙6、尼龙66、尼龙11或尼龙12。所述的聚酯可以为现有技术中任何可纺丝的聚酯，优选聚对苯二甲酸乙二醇（PET）或聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）。

本发明的一种聚合物/填料/金属复合纤维中所述的填料为在所述聚合物加工温度下不发生熔融的填料。本发明中对所述填料的形状没有任何限制，可以为任何形状的填料，可以为球形或类球形、椭球形、线型、针形、纤维形、棒状、片状等；这些填料的尺寸没有任何限制，只要可以分散在聚合物基体中并小于最终制备的纤维的直径即可，优选在其三维尺寸上至少一维尺寸小于500μm，优选小于300μm的填料；更优选现有技术中纳米级的填料，即在0维、1维或2维可以达到纳米尺寸的填料，优选1维或2维尺寸可以达到纳米尺寸的填料。其中0维纳米级填料即直径优选在纳米级的球形或类球形的填料；1维纳米材料即径向尺寸在纳米级的线型、针形、纤维形等形状的填料；2维纳米材料即厚度为纳米级的片状填料。所谓的纳米级尺寸，一般是指小于100nm的尺寸，但是现有技术中某些已知纳米级填料，比如碳纳米管，虽然其直径尺寸从几十纳米到几百纳米之间，但是也惯常称其为纳米级。故此本发明此处的纳米级尺寸的填料指现有技术中惯常认为的纳米级填料。所述的纳米级填料更优选在其三维尺寸上至少有一维小于100nm，最优选小于50nm。

本发明所述聚合物/填料/金属复合纤维中的填料优选为单组分金属、金属合金、金属氧化物、非金属氧化物、金属盐、金属氮化物、非金属氮化物、非金属碳化物、金属氢氧化物、导电聚合物、导电碳材料、天然矿石中的至少一种；更优选为金、银、铜、铁、金合金、银合金、铜合金、铁合金、氧化铝、氧化镁、三氧化二铁、四氧化三铁、氧化银、氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、碳酸钙、硫酸钡、硫酸钙、氯化银、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氢氧化铝、氢氧化镁、线性导电聚苯胺、炭黑、碳纳米管、石墨烯、石棉、滑石、高岭土、云母、长石、硅灰石、蒙脱土中至少一种。

本发明的聚合物/填料/金属复合纤维中填料和聚合物纤维的重量比为0.1:100～30:100，优选为0.5:100～10:100，更优选为1:100～2:100。

本发明的一种聚合物/填料/金属复合纤维中所述金属短纤维的金属为低熔金属，即熔点在20～480℃，优选为100～250℃，更优选为120～230℃的单组分金属和金属合金中的至少一种，并且其熔点同时低于所述聚合物加工温度。

优选的，所述金属中的单组分金属为镓、铯、铷、铟、锡、铋、镉、铅元素的单质金属；所述金属中的金属合金为镓、铯、铷、铟、锡、铋、镉、铅元素中两种以上的金属合金，或者为镓、铯、铷、铟、锡、铋、镉、铅元素中的至少一种与铜、银、金、铁或锌元素中的至少一种的金属合金，或者为镓、铯、铷、铟、锡、铋、镉、铅元素中的至少一种与铜、银、金、铁或锌元素中的至少一种与硅元素和/或碳元素形成的合金。

本发明的聚合物/填料/金属复合纤维中金属短纤维和聚合物纤维的体积比为0.01:100～20:100，优选为0.1:100～4:100，更优选为0.5:100～2:100。

本发明的一种聚合物/填料/金属复合纤维中，所述分散在聚合物纤维中的金属短纤维，其直径优选小于或等于12μm，更优选为小于或等于8μm，最优选为小于或等于3μm。

本发明的聚合物/填料/金属复合纤维的制备方法包括以下步骤：

步骤一、按所述量将包含所述热塑性树脂、所述填料与所述金属在内的组分进行熔融共混，得到聚合物/填料/金属共混物。

其中所述熔融共混是通常热塑性树脂熔融共混的加工条件。

所得的聚合物/填料/金属共混物的微观形态为：金属作为分散相均匀分布在连续相的热塑性树脂中。填料分散在金属颗粒之间，由于体系中填料的存在共混体系的粘度提高很大，在相同剪切速率的条件之下，体系受到更大的剪切作用，从而使低熔点金属在聚合物基体中分散粒径变小，另一方面，也降低了金属颗粒碰撞后重新发生合并的概率，使金属颗粒的粒径变得更小，金属颗粒数量更多，金属颗粒之间距离更小。

步骤二、将步骤一中所得聚合物/填料/金属共混物在纺丝设备上纺丝，得到聚合物/填料/金属复合原丝。

其中所述纺丝设备是现有技术中通用的纺丝设备，在所采用的热塑性树脂纺丝的通常纺丝条件下，采用通常的喷丝和收卷速度来纺丝。通常，收卷速度越快，得到的复合纤维直径越细，其中金属短纤维直径越小，导致最后得到的复合纤维的电性能越好。

步骤三、将步骤二中所得的聚合物/填料/金属复合原丝在低于所采用的热塑性树脂熔点的温度和高于或等于所述低熔点金属熔点的温度范围内加热拉伸得到聚合物/填料/金属复合纤维。

其中加热拉伸的拉伸倍率采用通常拉伸倍率即可，优选大于或等于2倍，更优选为大于或等于5倍，最优选为大于或等于10倍。随着拉伸倍率的提高金属短纤维的直径越小，复合纤维的电性能提高，同时由于体系中填料的存在，在步骤一中所得聚合物/填料/金属共混物的分散相金属颗粒的粒径变得更小，金属颗粒数量更多，金属颗粒之间距离更小，所以经过步骤二和步骤三后所制备的复合纤维中金属短纤维直径更小，金属短纤维之间距离更短，使复合纤维的电性能更好。

本发明所述聚合物/填料/金属复合纤维的制备方法的步骤一中将所述聚合物、填料与金属熔融共混所采用的方法就是橡塑加工中通常的熔融共混法，共混温度即热塑性树脂的通常加工温度，在即应该在既保证所采用的热塑性树脂和金属完全熔融又不会使所采用的热塑性树脂分解的范围内选择。此外，根据加工需要，可在共混物料中适量加入热塑性树脂加工的常规助剂。在共混过程中可以将所述热塑性树脂、填料与金属等各组分通过计量加料等方式同时加入熔融共混设备中进行熔融共混；也可以先通过通用的混合设备，预先将所述各个组分混合均匀，然后再经过橡塑共混设备熔融共混。

在制备方法的步骤一中所使用的橡塑共混设备可以是开炼机，密炼机，单螺杆挤出机、双螺杆挤出机或转矩流变仪等。所述的物料混合设备选自现有技术中的高速搅拌机，捏合机等等机械混合设备。

在制备方法的步骤一的原料中还可含有塑料加工领域中常用的助剂。比如抗氧剂，增塑剂及其它加工助剂等。这些常用的助剂用量为常规用量，或根据实际情况的要求来进行适当的调整。

本发明制备复合纤维的方法中步骤三的加热拉伸是保证得到本发明的聚合物/填料/金属复合纤维的必要条件，步骤一中由于体系中填料的存在共混体系的粘度提高很大，在相同剪切速率的条件之下，体系受到更大的剪切作用，从而使低熔点金属在聚合物基体中分散粒径变小，另一方面，也降低了金属颗粒碰撞后重新发生合并的概率，使金属颗粒的粒径变得更小，金属颗粒数量更多，金属颗粒之间距离更小，这是得到本发明的聚合物/填料/金属复合纤维的保证。这样所制备的聚合物/填料/金属复合纤维的微观形态为：为金属短纤维作为分散相分布在聚合物纤维中，而且作为分散相的金属短纤维沿着聚合物纤维轴平行分布；填料分散在金属短纤维之间，由于填料的存在使短纤维直径更小，短纤维之间距离更短，使得制得纤维的抗静电性能得到提高，并且保持纤维良好的手感；同时，由于金属短纤维排布在聚合物纤维内部，保护金属短纤维不受弯曲、拉伸、折叠、磨损以及洗涤时的损害，解决了金属层表面易氧化、易脱落或者金属粉末易团聚，从而导致抗静电效果下降的问题；并且由于金属的加入，解决了聚合物/填料复合纤维纺丝困难的问题，纺丝过程十分顺利，断丝情况大量减少。

尤其特别是，在现有技术中，制备导电纤维时，随着拉伸倍率提高，导电填料之间的距离增大，原有的导电网络被拉伸破坏。因此，在导电填料不变的条件下，现有技术中的导电纤维随着拉伸倍数的提高，虽然纤维的断裂强力也提高,但电性能是呈下降趋势.在本发明中，金属在适当的温度下拉伸，金属的长度会随着拉伸越来越长，而且在垂直纤维轴向的平面上，随着拉伸倍数的提高，金属纤维的距离是不断减小的。这种特殊的结构导致本发明的复合纤维随着拉伸倍数的提高，其内部导电网络得到不断完善，从而使本发明的复合纤维的电性能不断提高。由此,本发明的复合纤维随着纤维拉伸倍率提高断裂强力提高的同时，其电性能不仅没有受到影响，反而也随之提高，从而实现了使本发明的复合纤维的力学性能和电性能同时提高的目的。

本发明提出采用通用纺丝设备制备抗静电聚合物/填料/金属复合纤维，大幅度降低成本，并且有广泛的适用性。本发明所述的聚合物/填料/金属复合纤维所选用的低熔点金属可改善造粒过程的加工性和纺丝过程中的纤维的纺丝性能，提高生产效率，节约生产成本；并且可通过选择熔点相差范围大的热塑性树脂与金属搭配来扩宽生产条件，易于生产。

具体实施方式

下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发明的范围在附属的权利要求书中提出。

实施例中实验数据用以下仪器设备及测定方法测定：

（1）金属短纤维的直径的测试方法为利用化学溶剂去除聚合物基体后利用环境扫描电镜观察。

（2）复合纤维的拉伸断裂强度及断裂伸长率测试标准为GB/T14337-2008。

（3）复合纤维的体积电阻率测试方法如下：复合纤维体积电阻率的测试方法为：1、选取2cm左右长度的复合纤维，在两端用导电胶带粘附金属铝箔作为测试电极，测量电极内端间的复合纤维的长度t；2、用光学纤维镜测量复合纤维的直径d；3、使用上海精密仪器仪表公司的PC-68高阻仪测量纤维体积电阻R_v；4、根据如下公式计算纤维试样的体积电阻率ρ_v，测量10根纤维后取平均值。

实施例1

本实施例的聚合物为聚丙烯（中石化宁波镇海炼化，牌号Z30S，熔点为167℃），金属合金为锡铋合金（北京三禾鼎鑫高新科技发展有限公司，熔点138℃），碳纳米管（北京天奈科技，牌号FT-9000，平均直径11nm，平均长度10μm，多壁碳纳米管）。锡铋合金与聚丙烯的体积比为0.5:100，碳纳米管与聚丙烯的重量比为2:100，加入适量的抗氧化剂1010（瑞士汽巴嘉基生产）、抗氧剂168（瑞士汽巴嘉基生产）以及硬脂酸锌（市售）；其中以聚丙烯为100重量份数计，抗氧剂1010为0.5份，抗氧剂168为0.5份，硬脂酸锌为1份。

按照上述的聚合物、碳纳米管和金属合金的原料以及配比在高速搅拌机中混合均匀。之后用德国HAAKE公司PolymLab双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机各段温度为：190℃，200℃，210℃，210℃，210℃，200℃（机头温度）。将粒料加入毛细管流变仪中在200℃下纺丝得到复合原丝，柱塞速度为5mm/min，收卷速度为60m/min。将复合原丝在150℃条件下拉伸至原长的5倍后得到聚合物/碳纳米管/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。

用扫描电镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为1.87μm以下。长度为大于或等于6μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

实施例2

除金属合金与聚合物的体积比按1:100外,其余均与实施例1相同，所得聚合物/碳纳米管/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。用扫描电镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为2.15μm以下。长度为大于或等于7.6μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

实施例3

除金属合金与聚合物的体积比按2:100外，其余均与实施例1相同，所得聚合物/碳纳米管/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1及表2。用扫描电镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为3.46μm以下。长度为大于或等于9μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

对比例1

除不加入金属合金外，其余均与实施例1相同，所得聚丙烯/碳纳米管纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。纺丝过程中大量出现断丝现象，并且得到的纤维表面粗糙。

实施例4

除将复合原丝在150℃下拉伸至原长的10倍外，其余均与实施例3相同，所得聚合物/碳纳米管/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1及表2。用扫描电镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为1.45μm以下。长度为大于或等于9μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

对比例2

除不加入金属合金外，其余均与实施例4相同，所得聚丙烯/碳纳米管纤维，进行各项测试，测试结果列于表1及表2。纺丝过程中大量出现断丝现象，并且得到的纤维表面粗糙。

实施例5

除将复合原丝在150℃下拉伸至原长的15倍外，其余均与实施例3相同，所得聚丙烯/碳纳米管/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1及表2。用扫描电镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为0.8μm以下。长度为大于或等于6μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

对比例3

除不加入金属合金外,其余均与实施例5相同，所得聚丙烯/碳纳米管纤维，进行各项测试，测试结果列于表1及表2。纺丝过程中大量出现断丝现象，并且得到的纤维表面粗糙。

实施例6

本实施例的聚合物为聚丙烯（中石化宁波镇海炼化，牌号Z30S，熔点为167℃），金属合金为锡铋合金（熔点138℃），纳米二氧化钛（日本石原二氧化钛FT-3000，平均直径270nm，平均长度5.15μm），锡铋合金与聚丙烯的体积比为2:100，二氧化钛与聚丙烯的重量比为10:100，加入适量的抗氧化剂1010（瑞士汽巴嘉基生产）、抗氧剂168（瑞士汽巴嘉基生产）以及硬脂酸锌（市售）；其中以聚丙烯为100重量份数计，抗氧剂1010为0.5份，抗氧剂168为0.5份，硬脂酸锌为1份。

按照上述的聚合物、二氧化钛和金属合金的原料以及配比在高速搅拌机中混合均匀。之后用德国HAAKE公司PolymLab双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机各段温度为：190℃，200℃，210℃，210℃，210℃，200℃（机头温度）。将粒料加入毛细管流变仪中在200℃下纺丝得到复合原丝，柱塞速度为5mm/min，收卷速度为60m/min。将复合原丝在150℃条件下拉伸至原长的15倍后得到聚合物/二氧化钛/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。用扫描电镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为2.46μm以下。长度为大于或等于5.9μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

对比例4

除不加入金属合金外,其余均与实施例6相同，所得聚丙烯/二氧化钛纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。纺丝过程中大量出现断丝现象，并且得到的纤维表面粗糙。

实施例7

除将二氧化钛与聚丙烯的重量比为30:100外，其余均与实施例6相同，所得聚合物/二氧化钛/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。用扫描电镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为4.66μm以下。长度为大于或等于5.3μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

对比例5

除不加入金属合金外,其余均与实施例7相同，所得聚丙烯/二氧化钛纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。纺丝过程中大量出现断丝现象，并且得到的纤维表面粗糙。

实施例8

本实施例的聚合物为聚丙烯（中石化宁波镇海炼化，牌号Z30S，熔点为167℃），金属合金为锡铋合金（熔点138℃），银粉（宁波晶鑫电子材料有限公司，高密度球形银粉，平均粒径500nm，熔点960℃），锡铋合金与聚丙烯的体积比为2:100，银粉与聚丙烯的重量比为10:100，加入适量的抗氧化剂1010（瑞士汽巴嘉基生产）、抗氧剂168（瑞士汽巴嘉基生产）以及硬脂酸锌（市售）；其中以聚丙烯为100重量份数计，抗氧剂1010为0.5份，抗氧剂168为0.5份，硬脂酸锌为1份。

按照上述的聚合物、银粉和金属合金的原料以及配比在高速搅拌机中混合均匀。之后用德国HAAKE公司PolymLab双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机各段温度为：190℃，200℃，210℃，210℃，210℃，200℃（机头温度）。将粒料加入毛细管流变仪中在200℃下纺丝得到复合原丝，柱塞速度为5mm/min，收卷速度为60m/min。将复合原丝在150℃条件下拉伸至原长的15倍后得到聚合物/银粉/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。用扫描电镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为3.46μm以下。长度为大于或等于7.0μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

对比例6

除不加入金属合金外，其余均与实施例8相同，所得聚丙烯/银粉纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。纺丝过程中大量出现断丝现象，并且得到的纤维表面粗糙。

实施例9

本实施例的聚合物为聚丙烯（中石化宁波镇海炼化，牌号Z30S，熔点为167℃），金属合金为锡铋合金（熔点138℃），不锈钢纤维（北京金富邦有限公司，剪切短纤维，平均直径8μm，熔点1350℃），锡铋合金与聚丙烯的体积比为2:100，不锈钢纤维与聚丙烯的重量比为10:100，加入适量的抗氧化剂1010（瑞士汽巴嘉基生产）、抗氧剂168（瑞士汽巴嘉基生产）以及硬脂酸锌（市售）；其中以聚丙烯为100重量份数计，抗氧剂1010为0.5份，抗氧剂168为0.5份，硬脂酸锌为1份。

按照上述的聚合物、不锈钢和金属合金的原料以及配比在高速搅拌机中混合均匀。之后用德国HAAKE公司PolymLab双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机各段温度为：190℃，200℃，210℃，210℃，210℃，200℃（机头温度）。将粒料加入毛细管流变仪中在200℃下纺丝得到复合原丝，柱塞速度为5mm/min，收卷速度为60m/min。将复合原丝在150℃条件下拉伸至原长的15倍后得到聚合物/不锈钢/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。用扫描电镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为2.46μm以下。长度为大于或等于8.0μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑

对比例7

除不加入金属合金外,其余均与实施例9相同，所得聚丙烯/不锈钢纤维复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。纺丝过程中大量出现断丝现象，并且得到的纤维表面粗糙。

实施例10

本实施例的聚合物为聚丙烯（中石化宁波镇海炼化，牌号Z30S，熔点为167℃），金属合金为锡铋合金（熔点138℃），聚苯胺（天津得旺迈特新材料科技有限公司，聚苯胺纳米线，平均直径100nm，平均长度10μm），锡铋合金与聚丙烯的体积比为2:100，聚苯胺与聚丙烯的重量比为10:100，加入适量的抗氧化剂1010（瑞士汽巴嘉基生产）、抗氧剂168（瑞士汽巴嘉基生产）以及硬脂酸锌（市售）；其中以聚丙烯为100重量份数计，抗氧剂1010为0.5份，抗氧剂168为0.5份，硬脂酸锌为1份。

按照上述的聚合物、聚苯胺和金属合金的原料以及配比在高速搅拌机中混合均匀。之后用德国HAAKE公司PolymLab双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机各段温度为：190℃，200℃，210℃，210℃，210℃，200℃（机头温度）。将粒料加入毛细管流变仪中在200℃下纺丝得到复合原丝，柱塞速度为5mm/min，收卷速度为60m/min。将复合原丝在150℃条件下拉伸至原长的15倍后得到聚合物/聚苯胺/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。用扫描电镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为3.46μm以下。长度为大于或等于7.5μm。纺丝过程中很少出现断丝现象。

对比例8

除不加入金属合金外，其余均与实施例10相同，所得聚丙烯/聚苯胺纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。纺丝过程中大量出现断丝现象。

实施例11

本实施例的聚合物为聚丙烯（中石化宁波镇海炼化，牌号Z30S，熔点为167℃），金属合金为锡铋合金（熔点138℃），蒙脱土（美国NanoCor，牌号I.44PSS）。锡铋合金与聚丙烯的体积比为2:100，蒙脱土与聚丙烯的重量比为2:100，加入适量的抗氧化剂1010（瑞士汽巴嘉基生产）、抗氧剂168（瑞士汽巴嘉基生产）以及硬脂酸锌（市售）；其中以聚丙烯为100重量份数计，抗氧剂1010为0.5份，抗氧剂168为0.5份，硬脂酸锌为1份。

按照上述的聚合物、蒙脱土和金属合金的原料以及配比在高速搅拌机中混合均匀。之后用德国HAAKE公司PolymLab双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机各段温度为：190℃，200℃，210℃，210℃，210℃，200℃（机头温度）。将粒料加入毛细管流变仪中在200℃下纺丝得到复合原丝，柱塞速度为5mm/min，收卷速度为60m/min。将复合原丝在150℃条件下拉伸至原长的15倍后得到聚合物/蒙脱土/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。

用扫描显微镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为1.46μm以下。长度为大于或等于6.5μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

对比例9

除不加入金属合金外，其余均与实施例11相同，所得聚丙烯/蒙脱土纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。纺丝过程中大量出现断丝现象，并且得到的纤维表面粗糙。

实施例12

除金属合金与聚合物的体积比按0.5:100外,其余均与实施例1相同，所得聚合物/蒙脱土/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。

用扫描显微镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为2.06μm以下。长度为大于或等于6.5μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

对比例10

除不加入金属合金外，其余均与实施例12相同，所得聚丙烯/蒙脱土纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。纺丝过程中大量出现断丝现象，并且得到的纤维表面粗糙。

实施例13

本实施例的聚合物为聚丙烯（中石化宁波镇海炼化，牌号Z30S，熔点为167℃），金属合金为锡铋合金（熔点138℃），纳米碳酸钙（河南科力，牌号NLY-201，粒径范围30-50nm）。锡铋合金与聚丙烯的体积比为2:100，碳酸钙与聚丙烯的重量比为10:100，加入适量的抗氧化剂1010（瑞士汽巴嘉基生产）、抗氧剂168（瑞士汽巴嘉基生产）以及硬脂酸锌（市售）；其中以聚丙烯为100重量份数计，抗氧剂1010为0.5份，抗氧剂168为0.5份，硬脂酸锌为1份。

按照上述的聚合物、碳酸钙和金属合金的原料以及配比在高速搅拌机中混合均匀。之后用德国HAAKE公司PolymLab双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机各段温度为：190℃，200℃，210℃，210℃，210℃，200℃（机头温度）。将粒料加入毛细管流变仪中在200℃下纺丝得到复合原丝，柱塞速度为5mm/min，收卷速度为60m/min。将复合原丝在150℃条件下拉伸至原长的15倍后得到聚合物/碳酸钙/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。

用扫描显微镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为2.06μm以下。长度为大于或等于7.8μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

对比例11

除不加入金属合金外，其余均与实施例6相同，所得聚丙烯/碳酸钙纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。纺丝过程中大量出现断丝现象，并且得到的纤维表面粗糙。

实施例14

本实施例的聚合物为聚丙烯（中石化宁波镇海炼化，牌号Z30S，熔点为167℃），金属合金为锡铋合金（熔点138℃），硫酸钙晶须（郑州博凯利，牌号纳米硫酸钙晶须，平均直径500nm）。锡铋合金与聚丙烯的体积比为2:100，硫酸钙与聚丙烯的重量比为10:100，加入适量的抗氧化剂1010（瑞士汽巴嘉基生产）、抗氧剂168（瑞士汽巴嘉基生产）以及硬脂酸锌（市售）；其中以聚丙烯为100重量份数计，抗氧剂1010为0.5份，抗氧剂168为0.5份，硬脂酸锌为1份。

按照上述的聚合物、硫酸钙和金属合金的原料以及配比在高速搅拌机中混合均匀。之后用德国HAAKE公司PolymLab双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机各段温度为：190℃，200℃，210℃，210℃，210℃，200℃（机头温度）。将粒料加入毛细管流变仪中在200℃下纺丝得到复合原丝，柱塞速度为5mm/min，收卷速度为60m/min。将复合原丝在150℃条件下拉伸至原长的15倍后得到聚合物/硫酸钙/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。

用扫描显微镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为3.06μm以下。长度为大于或等于8μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

对比例12

除不加入金属合金外，其余均与实施例6相同，所得聚丙烯/硫酸钙纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。纺丝过程中大量出现断丝现象，并且得到的纤维表面粗糙。

实施例15

聚合物采用聚酰胺11（法国阿科玛，牌号Natural D40，熔点为179℃），金属合金为锡铋合金（熔点138℃），碳纳米管（北京天奈科技，牌号FT-9000）。金属合金与聚合物的体积比为2:100，碳纳米管与聚合物的体积比为2:100，加入适量的抗氧化剂1010（瑞士汽巴嘉基生产）、抗氧剂168（瑞士汽巴嘉基生产）以及硬脂酸锌（市售）；其中以聚酰胺11为100重量份数计，抗氧剂1010为0.5份，抗氧剂168为0.5份，硬脂酸锌为1份。

按照上述的聚合物、碳纳米管和金属合金的原料以及配比在高速搅拌机中混合均匀。之后用德国HAAKE公司PolymLab双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机各段温度为：200℃，210℃，220℃，220℃，220℃，210℃（机头温度）。将粒料加入毛细管流变仪中在200℃下纺丝得到复合原丝，柱塞速度为5mm/min，收卷速度为60m/min。将复合原丝在170℃条件下拉伸至原厂的的15倍后得到聚合物/碳纳米管/金属复合纤维，进行各项测试，测试结果列于表1。

用扫描显微镜观测，复合纤维中金属短纤维的直径为1.40μm以下。长度为大于或等于8.1μm。纺丝过程中很少出现断丝现象，得到的纤维表面光滑。

对比例13

除不加入金属合金外，其余均与实施例15相同，聚酰胺/碳纳米管纤维测试结果列于表1。纺丝过程中大量出现断丝现象，并且得到的纤维表面粗糙。

表1

表2

从表2中数据可以看出，相对于未含有低熔点金属的聚合物/碳纳米管复合纤维，相应的本发明的聚合物/碳纳米管/低熔点金属复合纤维在相同的原丝拉伸倍率条件下具有更大的拉伸强度和更大的断裂伸长率。这些数据说明相对于聚合物/碳纳米管复合纤维，少量低熔点金属的加入可以实现聚合物/碳纳米管/金属复合纤维的拉伸断裂强度、断裂伸长率和体积电阻率的同步提高。

Claims (15)

1.一种聚合物/填料/金属复合纤维，其包括含有金属短纤维和填料的聚合物纤维，其微观结构为金属短纤维作为分散相分布在聚合物纤维中，而且作为分散相的金属短纤维沿着聚合物纤维轴平行分布，填料分散在聚合物纤维内，分布在金属短纤维之间；所述聚合物为热塑性树脂；所述填料在所述聚合物加工温度下不发生熔融；所述金属为低熔点金属，选自单组分金属和金属合金中的至少一种，其熔点在20～480℃，并且其熔点同时低于所述聚合物加工温度。

2.根据权利要求1所述的聚合物/填料/金属复合纤维，其特征在于，所述的金属短纤维和聚合物纤维的体积比为0.01:100～20:100，优选为0.1:100～4:100，更优选为0.5:100～2:100。

3.根据权利要求1所述的聚合物/填料/金属复合纤维，其特征在于，所述的金属熔点在100～250℃，优选在120～230℃。

4.根据权利要求1所述的聚合物/填料/金属复合纤维，其特征在于，所述金属中的单组分金属为镓、铯、铷、铟、锡、铋、镉、铅元素的单质金属；所述金属中的金属合金为镓、铯、铷、铟、锡、铋、镉、铅元素中两种以上的金属合金，或者为镓、铯、铷、铟、锡、铋、镉、铅元素中的至少一种与铜、银、金、铁或锌元素中的至少一种的金属合金，或者为镓、铯、铷、铟、锡、铋、镉、铅元素中的至少一种与铜、银、金、铁或锌元素中的至少一种与硅元素和/或碳元素形成的合金。

5.根据权利要求1所述的聚合物/填料/金属复合纤维，其特征在于所述的金属短纤维直径小于或等于12μm，优选小于或等于8μm，更优选小于或等于3μm。

6.根据权利要求1所述的聚合物/填料/金属复合纤维，其特征在于，所述的聚合物为熔点在90～450℃，优选在100～290℃的热塑性树脂。

7.根据权利要求6所述的聚合物/填料/金属复合纤维，其特征在于，所述的聚合物选自聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯中的一种。

8.根据权利要求1所述的聚合物/填料/金属复合纤维，其特征在于，所述的填料与聚合物的重量比0.1:100～30:100，优选为0.5:100～10:100，更优选为1:100～2:100。

9.根据权利要求1所述的聚合物/填料/金属复合纤维，其特征在于，所述填料在其三维尺寸上至少在一维尺寸小于500μm，优选小于300μm。

10.根据权利要求1所述的聚合物/填料/金属复合纤维，其特征在于，所述的填料为单组分金属、金属合金、金属氧化物、非金属氧化物、金属盐、金属氮化物、非金属氮化物、非金属碳化物、金属氢氧化物、导电聚合物、导电碳材料、天然矿石中的至少一种。

11.根据权利要求1所述的聚合物/填料/金属复合纤维，其特征在于，所述的填料为金、银、铜、铁、金合金、银合金、铜合金、铁合金、氧化铝、氧化镁、三氧化二铁、四氧化三铁、氧化银、氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、碳酸钙、硫酸钡、硫酸钙、氯化银、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氢氧化铝、氢氧化镁、线性导电聚苯胺、炭黑、碳纳米管、石墨烯、石棉、滑石、高岭土、云母、长石、硅灰石、蒙脱土中至少一种。

12.根据权利要求9～11之一所述的聚合物/填料/金属复合纤维，其特征在于，所述的填料为纳米级填料。

13.根据权利要求12所述的聚合物/填料/金属复合纤维，其特征在于，所述的纳米级填料在其三维尺寸上至少有一维小于100nm，优选小于50nm。

14.一种根据权利要求1～13任一项所述的聚合物/填料/金属复合纤维的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、按所述量将所述包含热塑性树脂、填料与金属在内的组分进行熔融共混，得到聚合物/填料/金属共混物；

步骤二、将以上所得聚合物/填料/金属共混物在纺丝设备上纺丝，得到聚合物/填料/金属复合原丝；

步骤三、将以上所得聚合物/填料/金属复合原丝在低于所采用的热塑性树脂熔点的温度，且高于或等于所采用的低熔点金属熔点的温度范围内加热拉伸得到聚合物/填料/金属复合纤维。

15.根据权利要求14所述的的聚合物/填料/金属复合纤维的制备方法，其特征在于步骤三所述的加热拉伸的拉伸倍率大于或等于2倍，优选为大于或等于5倍，更优选为大于或等于10倍。