CN106894110A - 碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）导电纤维及其制备方法，所述导电纤维由导电部分和非导电部分采用复合纺丝工艺制成，导电部分由PTT材料、碳黑导电剂及助剂组成，非导电部分为PTT材料。制备方法包括：（1）制备PTT导电母粒；（2）将PTT导电母粒与PTT切片分别用螺杆挤出机熔融输送，分配到复合喷丝板的各个喷丝孔，从喷丝孔中射出，经侧吹风冷却、上油、牵伸、卷绕即成。本发明有益效果是：以复合纺制造的导电纤维导电部分集中在纤维的一部分，根据碳黑导电机理的渗逾阈值理论，就有最好的导电性能，还保留了PTT纤维高弹、舒适的特点。由于导电剂仅负载在局部，对纤维性能影响不大，可广泛应用于永久性防静电领域。

Description

碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯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，尤其是一种碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维及其制备方法，属于导电纤维技术领域。

背景技术

生物基材料是指利用可再生生物质，包括植物来源的碳水化合物、脂肪酸等，通过生物、物理或者化学等手段制造的一类新型材料，具有绿色、环境友好、可再生和生物可降解等特性。生物基材料有着非常广阔的市场应用空间，在塑料业、包装业、制造业和医药行业等领域有着大规模的需求。我国已经将生物基材料作为十三五战略新兴产业来发展，这对于推进经济结构调整、加快转变经济发展方式、实现科学发展，具有重要的现实意义。

聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)是由对苯二甲酸(PTA)和1,3-丙二醇(PDO)缩聚而成的新型聚酯材料，由于1,3-丙二醇(PDO)可由玉米淀粉经微生物发酵生产，因此PTT也是一种新型生物基高分子材料，已成为十三五重点发展的生物基新型材料。

PTT纤维具有良好的材料学性能，包括柔软性、弹性回复性、抗折皱性、尺寸稳定性、易染色性和抗污性等，它综合了尼龙的柔软性(比尼龙更好的色牢度)、腈纶的蓬松性(也能避免腈纶易磨损起球的缺点)、涤纶的抗污性(也有较好的手感)、本身固有的弹性好的特点，是有重要发展前景的高分子材料之一。

PTT纤维组合了PET聚酯和聚酰胺性质，适用于做纺织品和地毯，因分子中有附加的碳，易于染色，用于服装，比常规聚酯拉伸性更好，柔软性更好，用于地毯，耐磨耐污，因此可逐步替换PET、PA6、PA66，成为21世纪的新型化纤。

虽然PTT纤维性能优异，它的体积比电阻、感应电压和放电半衰期均低于PET和PA6，但它仍属于本征不抗静电的材料，对PTT纤维进行抗静电处理仍十分必要。抗静电的方法包括表面处理法、添加抗静电剂(包括表面活性剂型湿度依赖型抗静电剂、掺杂型金属氧化物导静电剂以及碳黑导电剂等)混纺法、添加金属纤维、以及采用复合纺丝工艺生产永久抗静电纤维等。

在现有技术制备的PTT防静电纤维中专利CN102220658A公开了一种聚对苯二甲酸丙二醇酯纳米导电纤维，以碳纳米管为模板进行静电纺丝制备PTT纳米导电纤维的方法，这种方法难以规模化生产；CN104862815A公开了一种基于聚对苯二甲酸丙二醇酯的抗菌防静电纤维，采用湿度依赖型表面活性剂抗静电剂HKD-510和HKD-912制备PTT抗静电纤维的方法；CN104845238A公开的基于聚对苯二甲酸丙二醇酯的阻燃抗静电母粒及CN104861504A公开的一种抗静电聚对苯二甲酸丙二醇酯的母粒，都是采用和CN104862815A类似的方法，达不到永久抗静电的效果。

功能性纤维是指能提供舒适性、保健性、安全性等方面特殊功能以及能在特殊条件下应用的纤维材料，集穿着舒适性和功能性于一身，使化学纤维纺织品在视感、触感、手感等方面成为具有高感性的材料，满足了人们日益增加的对个性化、品味化、精致化、舒适性、功能性纺织品的追求。国内外各种功能性纤维纺织品不断问世，也越来越受到消费者的青睐和关注，成为引导市场和提高企业生存能力的重要因素，如抗菌、抗静电、紫外屏蔽、负氧离子等高功能纤维的应用大大增多。

化学纤维抗静电特别是永久抗静电是重要的功能性之一，因此本发明的碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯永久抗静电纤维具有十分广阔的应用价值和市场前景。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维及其制备方法，能够达到永久抗静电的效果。

按照本发明提供的技术方案，所述碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维，其特征是：所述导电纤维由导电部分和非导电部分复合而成；所述导电部分包括PTT材料、碳黑导电剂和助剂，非导电部分为PTT材料；所述导电部分占导电纤维总重量的5～40％，导电部分中碳黑导电剂的含量为10～40wt％；所述助剂的用量以碳黑导电剂的量计，包括0.5～3wt％的偶联剂、5～15％wt分散剂、0.3～1wt％抗氧化剂和1～5wt％润滑剂。

在一个具体实施方式中，所述偶联剂采用铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂或硅烷偶联剂；所述分散剂采用聚酯蜡分散剂；所述抗氧化剂采用抗氧化剂1010或/和抗氧化剂DLTP；所述润滑剂采用硬酯酸镁或硬酯酸锌。

在一个具体实施方式中，所述导电纤维为皮芯型复合结构，导电部分位于皮层或芯层。

在一个具体实施方式中，所述导电纤维中的导电部分嵌设于非导电部分中；所述导电部分完全包裹于非导电部分中，或者导电部分的局部外露于导电纤维的表面。具体地，所述导电部分可以采用1-10叶形或圆形嵌于非导电部分中。

在一个具体实施方式中，所述碳黑导电剂的原生粒径为15～50纳米，电阻率为10^-4～10¹Ω·cm。

在一个具体实施方式中，所述导电纤维的电阻率为10⁰～10⁶Ω·cm，导电纤维的单丝线径为5～100微米。

所述碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备PTT导电母粒：将碳黑导电剂、助剂和PTT聚酯切片进行预捏合，然后经双螺杆熔融共混、挤出、水冷、切粒制得碳黑导电剂含量为10～40wt％的PTT导电母粒；

(2)将PTT切片与PTT导电母粒分别用螺杆挤出机熔融输送，经计量泵计量分配到复合型喷丝板的各个喷丝孔，从喷丝孔中射出，最后经侧吹风冷却凝固、牵伸、上油、导丝、卷绕即得到所述的导电纤维。

在一个具体实施方式中，所述步骤(1)中预捏合的温度为90℃～150℃，时间为30～120min；双螺杆熔融共混、挤出的温度设定为一区80-100℃，二区为150-200℃，三区到挤出口各区的温度为250～270℃，螺杆的长径比为1:10～1:50。

在一个具体实施方式中，所述步骤(2)中螺杆挤出机的温度为230～270℃，箱体温度为270℃。

在一个具体实施方式中，所述步骤(2)中侧吹风风压为50～500Pa，风速为0.2～1.2m/s，风温为15～20℃，风湿度为65～80％；所述的牵伸卷绕速度为2000～5000m/min；

所述PTT切片预先经过干燥，含水率控制在30ppm以下，干燥过程为：用流化床预结晶，温度为170℃，干燥塔入口风温为165℃，干燥风流量为180m³/h，露点为-70℃，干燥时间6～8小时；

所述PTT导电母粒预先经过干燥，含水率控制在60ppm以下，干燥过程为：采用真空转鼓干燥，干燥温度为120～140℃，真空度小于0.001MPa，干燥时间为10～15小时。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用碳黑导电剂制造的复合PTT导电纤维，导电效果好，具有永久抗静电的效果，导电剂与纤维融为一体，耐洗效果很好。

(2)本发明采用复合纺丝技术，使导电剂在纤维中集中分布，大大提高了纤维导电性能，本发明产品的电阻率与混合纺丝工艺相比降低10²以上。另外，本发明所述的导电纤维不受空气湿度的影响。

(3)本发明的PTT永久性导电纤维性能和常规生产的PTT纤维、其它PTT抗菌纤维、PTT阻燃纤维等有完全的相似性，可以通过纤维之间的复合、混纺以及对纤维进行加捻、加弹、加网络等加工形式生产可用于织造的纤维形式，可广泛应用于毯类面料、家纺类面料等领域。

附图说明

图1为本发明所述导电纤维的第一种结构示意图。

图2为本发明所述导电纤维的第二种结构示意图。

图3为本发明所述导电纤维的第三种结构示意图。

图4为本发明所述导电纤维的第四种结构示意图。

附图中黑色区域为导电部分，白色区域为非导电部分。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

在本发明中，非特别指出的原材料均属常规材料，可以从市场上购买。

本发明根据碳黑型导电剂在塑料中导电的渗逾阈值理论，采用复合纺丝技术，使导电部分集中分布于导电层上，与混合纺丝工艺相比体现更好的导电性，在纤维中碳黑导电剂用量相同的情况下，用电阻率表示的导电性差异在10²以上。

实施例1：

将6公斤碳黑导电剂、150克铝酸酯偶联剂、聚酯蜡分散剂600克、1010和DLTP'复配抗氧化剂20克、硬酯酸镁150克和13.1公斤PTT聚酯切片进行预捏合，捏合温度为120℃，捏合时间为60min；然后经过双螺杆挤出机熔融共混制得碳黑导电剂剂含量为30wt％的导电母粒，充分干燥备用。

将干燥好的80公斤非导电部分PTT切片和上述导电母粒分别用螺杆挤出机熔融输送熔体，熔体分别经过各自计量泵精确计量后，按一定比例(导电部分占纤维总重量的20wt％)进入内嵌外导三叶形复合纺丝组件复合，从喷丝孔中射出，形成熔体细流。熔体细流被冷却风冷却，凝固成初生丝条，其中侧吹风风压为80Pa，风速为0.8m/s；风温为15℃，风湿度为65％。冷却后丝束经导丝器由专用油剂上油后，通过甬道到达卷绕工序，经上下导丝盘改变走向、调节张力后，进入卷绕机卷绕成丝饼，牵伸卷绕速度为3800m/min。得到20D/4f内嵌外导三叶形PTT导电纤维，其中导电部分占20wt％。导电碳黑占纤维总量的6wt％，高阻计测电阻为1.5×10⁶Ω/cm，电阻率为25Ω·cm。实施例1得到的导电纤维的截面如图2所示，导电部分为3个叶形，导电部分的端部外露于导电纤维表面。

实施例2：

将5公斤碳黑导电剂、100克铝酸酯偶联剂、聚酯蜡分散剂600克、1010和DLTP'复配抗氧化剂30克、硬酯酸镁150克和14.2公斤PTT聚酯切片进行预捏合，捏合温度为150℃，捏合时间为40min；然后经过双螺杆挤出机熔融共混制得碳黑导电剂剂含量为25wt％的导电母粒，充分干燥备用。

将干燥好的80公斤非导电部分PTT切片和上述导电母粒分别用螺杆挤出机熔融输送熔体，熔体分别经过各自计量泵精确计量后，按一定比例(导电部分占纤维总重量的25wt％)进入皮芯外导复合纺丝组件复合，从喷丝孔中射出，形成熔体细流。熔体细流被冷却风冷却，凝固成初生丝条，其中侧吹风风压为120Pa，风速为1.0m/s；风温为18℃，风湿度为70％。冷却后丝束经导丝器由专用油剂上油后，通过甬道到达卷绕工序，经上下导丝盘改变走向、调节张力后，进入卷绕机卷绕成丝饼，牵伸卷绕速度为3500m/min。得到20D/4f皮芯外导PTT导电纤维，其中导电部分占25wt％。导电碳黑占纤维总量的6.25wt％，高阻计测电阻为6×10⁶Ω/cm，电阻率为90Ω·cm。实施例2得到的导电纤维的截面如图1所示，为皮芯结构，皮导为导电部分，芯层为非导电部分。

实施例3：

将3.6公斤碳黑导电剂、15克铝酸酯偶联剂、聚酯蜡分散剂300克、1010和DLTP'复配抗氧化剂15克、硬酯酸镁60克和16.6公斤PTT聚酯切片进行预捏合，捏合温度为90℃，捏合时间为80min；然后经过双螺杆挤出机熔融共混制得碳黑导电剂剂含量为18wt％的导电母粒，充分干燥备用。

将干燥好的80公斤非导电部分PTT切片和上述导电母粒分别用螺杆挤出机熔融输送熔体，熔体分别经过各自计量泵精确计量后，按一定比例(导电部分占纤维总重量的30wt％)进入皮芯内导复合纺丝组件复合，从喷丝孔中射出，形成熔体细流。熔体细流被冷却风冷却，凝固成初生丝条，其中侧吹风风压为200Pa，风速为1.2m/s；风温为20℃，风湿度为70％。冷却后丝束经导丝器由专用油剂上油后，通过甬道到达卷绕工序，经上下导丝盘改变走向、调节张力后，进入卷绕机卷绕成丝饼，牵伸卷绕速度为4200m/min。得到20D/4f皮芯内导PTT导电纤维，其中导电部分占25wt％。导电碳黑占纤维总量的5wt％，高阻计测电阻(测定时纤维两端涂上导电胶)为5×10⁸Ω/cm，电阻率为10⁴Ω·cm。实施例3得到的导致电纤维的截面结构如图3所示，皮层为非导电部分，芯层为导电部分。

对比例：

将实施例1中的复合纺丝工艺改成混合纺丝工艺。

将实施例中制得的导电母粒，充分干燥备用。

将干燥好的80公斤非导电部分PTT切片和上述导电母粒按导电母粒占总量的20％的比例充分混合，用螺杆挤出机熔融输送熔体，熔体经过计量泵计量后，进入纺丝组件从喷丝孔中射出，形成熔体细流。熔体细流被冷却风冷却，凝固成初生丝条，其中侧吹风风压为80Pa，风速为0.8m/s；风温为15℃，风湿度为65％。冷却后丝束经导丝器由专用油剂上油后，通过甬道到达卷绕工序，经上下导丝盘改变走向、调节张力后，进入卷绕机卷绕成丝饼，牵伸卷绕速度为3800m/min。得到100D/48f PTT导电纤维，其中导电碳黑占纤维总量的6wt％，高阻计测电阻为4×10Ω/cm，电阻率为1.5×10⁵Ω·cm。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用碳黑导电剂制造的复合PTT导电纤维，导电效果好，与对比文件所采用的湿度依赖型抗静电剂相比，更具有永久抗静电的效果，导电剂与纤维融为一体，耐洗效果很好。

(2)本发明采用复合纺丝技术，使导电剂在纤维中集中分布，大大提高了纤维导电性能，本发明产品的电阻率与混合纺丝工艺相比降低10²以上。具体如表1所示：

表1

(3)本发明的导电纤维为永久性抗静电，不受环境因素影响。

表2湿度对碳黑型导电纤维导电性能的影响测试

	90％	70％	50％	30％	20％
						实施例1

由表2可知，本发明所述的导电纤维不受空气湿度的影响。

(4)本发明的PTT永久性导电纤维性能和常规生产的PTT纤维、其它PTT抗菌纤维、PTT阻燃纤维等有完全的相似性，可以通过纤维之间的复合、混纺以及对纤维进行加捻、加弹、加网络等加工形式生产可用于织造的纤维形式，可广泛应用于毯类面料、家纺类面料等领域。

Claims (10)

1.一种碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维（PTT），其特征是：所述导电纤维由导电部分和非导电部分复合而成；所述导电部分包括PTT材料、碳黑导电剂和助剂，非导电部分为PTT材料；所述导电部分占导电纤维总重量的5～40%，导电部分中碳黑导电剂的含量为10～40wt%；所述助剂的用量以碳黑导电剂的量计，包括0.5～3wt%的偶联剂、5～15%wt分散剂、0.3～1wt%抗氧化剂和1～5wt%润滑剂。

2.如权利要求1所述的碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维，其特征是：所述偶联剂采用铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂或硅烷偶联剂；所述分散剂采用聚酯蜡分散剂；所述抗氧化剂采用抗氧化剂1010或/和抗氧化剂DLTP；所述润滑剂采用硬酯酸镁或硬酯酸锌。

3.如权利要求1所述的碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维，其特征是：所述导电纤维为皮芯型复合结构，导电部分位于皮层或芯层。

4.如权利要求1所述的碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维，其特征是：所述导电纤维中的导电部分嵌设于非导电部分中；所述导电部分完全包裹于非导电部分中，或者导电部分的局部外露于导电纤维的表面。

5.如权利要求1所述的碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维，其特征是：所述碳黑导电剂的原生粒径为15～50纳米，电阻率为10^-4～10¹Ω•cm。

6.如权利要求1所述的碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维，其特征是：所述导电纤维的电阻率为10⁰～10⁶Ω•cm，导电纤维的单丝线径为5～100微米。

7.一种碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）制备PTT导电母粒：将碳黑导电剂、助剂和PTT聚酯切片进行预捏合，然后经双螺杆熔融共混、挤出、水冷、切粒制得碳黑导电剂含量为10～40wt%的PTT导电母粒；

（2）将PTT切片与PTT导电母粒分别用螺杆挤出机熔融输送，经计量泵计量分配到复合型喷丝板的各个喷丝孔，从喷丝孔中射出，最后经侧吹风冷却凝固、牵伸、上油、导丝、卷绕即得到所述的导电纤维。

8.如权利要求7所述的碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维的制备方法，其特征是：所述步骤（1）中预捏合的温度为90℃～150℃，时间为30～120min；双螺杆熔融共混、挤出的温度设定为一区80-100℃，二区为150-200℃，三区到挤出口各区的温度为250～270℃，螺杆的长径比为1:10～1:50。

9.如权利要求7所述的碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维的制备方法，其特征是：所述步骤（2）中螺杆挤出机的温度为230～270℃，箱体温度为270℃。

10.如权利要求7所述的碳黑型聚对苯二甲酸丙二醇酯导电纤维的制备方法，其特征是：所述步骤（2）中侧吹风风压为50～500Pa，风速为0.2～1.2m/s，风温为15～20℃，风湿度为65～80%；所述的牵伸卷绕速度为2000～5000m/min；

所述PTT切片预先经过干燥，含水率控制在30ppm以下，干燥过程为：用流化床预结晶，温度为170℃，干燥塔入口风温为165℃，干燥风流量为180m³/h，露点为-70℃，干燥时间6～8小时；

所述PTT导电母粒预先经过干燥，含水率控制在60ppm以下，干燥过程为：采用真空转鼓干燥，干燥温度为120～140℃，真空度小于0.001MPa，干燥时间为10～15小时。