CN109537269A - 一种热塑性聚氨酯导电非织造布的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热塑性聚氨酯导电非织造布的制备方法，以热塑性聚氨酯为原料，通过熔喷纺丝技术制得TPU非织造布；将TPU非织造布于不同质量浓度的羧基化多壁碳纳米管的二甲苯溶液中超声修饰，制备不同导电能力的TPU导电非织造布。将TPU非织造布置于不同浓度的碳纳米管的分散液中，选择合适的温度和时间超声修饰，使得cMWCNTs不仅均匀修饰于TPU无纺布表面，并渗透进入溶胀的纤维内，有利于导电网络的形成和稳定，显著提高了TPU导电非织造布的导电性能。与共混方法相比，利用超声修饰的方法将导电粒子均匀修饰于非织造布纤维表面，可以显著降低导电粒子的用量，节约成本，制备方法简单，设备要求低。

Description

一种热塑性聚氨酯导电非织造布的制备方法
技术领域
本发明属于纺织材料制备领域，具体涉及一种热塑性聚氨酯导电非织造布的制备方法。
背景技术
近年来，非织造布的产量逐年增加，在医疗、过滤等方面发挥了重要的作用。但是，其应用相对单一，通过后处理对非织造布进行修饰改性，赋予非织造布一些新的优异性能，扩大其应用范围，已经成为非织造行业亟需解决的问题。热塑性聚氨酯（TPU）是分子中含有-NH-COO-基团的线性共聚物，具有弹性好，物性佳、易于加工、成本低等特性。另外，聚氨酯高聚物还具有优良的耐磨、耐低温、耐候性和耐油性。将热塑性聚氨酯应用于熔喷技术，可开发具有优异韧性、延展性的弹性熔喷非织造布，广泛应用于过滤、医疗、航天、重工等领域。羧基化多壁碳纳米管（cMWCNTs）具有优异的电性能、热性能、力学性能，作为理想的填料被广泛用于复合材料的制备。文献中有关导电非织造布的制备大多采用共混和喷涂的方法，采用共混的方法需要较多的导电纤维或导电粒子，而喷涂的方法需要专用的喷涂设备，并且导电层容易脱落。
基于此，特提出本发明，利用超声修饰的方法，不仅可以显著降低导电粒子的用量，而且利用分子间氢键的作用增强导电粒子与非织造布纤维间的结合力，有利于导电网络的构筑及稳定。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种热塑性聚氨酯（TPU）导电非织造布的制备方法，以TPU为主要原料，通过熔喷纺丝技术制备TPU非织造布，并于不同浓度cMWCNTs的二甲苯溶液中超声修饰制备TPU导电非织造布。TPU导电非织造布具有优异的电性能、较低的逾渗值和优异的热稳定性能。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种TPU导电非织造布的制备方法，步骤如下：
（1）热塑性聚氨酯切片干燥：由于TPU含水率较高，直接纺丝会出现气泡丝、造成毛丝、段头现象严重，纺丝前，在95 ℃下真空干燥10 h；
（2）熔喷热塑性聚氨酯非织造布：采用熔喷纺丝技术将上述干燥的TPU粒料熔喷制备纤维粗细均匀的TPU非织造布；
（3）多壁碳纳米管分散液配制：以二甲苯为溶剂，多壁碳纳米管为溶质，在70-80℃下超声震荡0.5-1 h，使多壁碳纳米管在二甲苯溶液中均匀分散，得到不同质量浓度的多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液；
（4）热塑性聚氨酯非织造布的导电修饰：将步骤（2）中的TPU非织造布剪成1 cm×2 cm的样条，样条放入分散液A中超声震荡0.5-1.5 min，取出样条，放入烘箱，在50 ℃下干燥8-15 min，可制备不同导电能力的TPU导电非织造布。根据需要，可重复该步骤2-4次。
所述步骤（2）中熔喷纺丝制备TPU非织造布的工艺过程如下：螺杆挤出机一区~五区温度分别为：150-165 oC，180-190 oC，200-210 oC，220-225 oC，230-235 oC；计量泵温度为235-240 oC；熔喷模头温度为230-235 oC；计量泵转速7-9 rad/min；风机转速40-50 r/min；卷绕速度1.5-2.0 m/min。
所述步骤（2）中TPU非织造布的厚度为0.05-0.2 mm，非织造布中纤维的直径为10-80 µm。
所述步骤（3）中多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液的浓度为0.1-0.7 mg/mL。
本发明的有益效果是：（1）与产业化的聚丙烯非织造布相比，TPU非织造布具有优异的韧性、弹性、耐摩擦性，不仅可以应用于纺织材料领域，也可以应用于高性能复合材料（如：机翼、风机叶片等）的制备；（2）利用羧基化碳纳米管米管（cMWCNTs）作为改性剂，由于cMWCNTs具有-COOH，-OH等活性官能团，能与TPU聚合物基体形成分子间氢键，增强与TPU聚合物基体间的作用力，不仅有利于导电网络的构筑和稳定，也有利于材料力学性能、热稳定性能的改善；（3）本发明采用超声修饰的方法，与文献中报道的采用共混的方法相比，不仅显著降低碳纳米管的用量（文献中碳纳米管的用量高达30wt%，本发明中碳纳米管用量低至0.2wt%），而且利用超声修饰更有利于碳纳米管在非织造布纤维上的均匀分散；（4）进行导电修饰时的温度和时间是成功制备TPU导电非织造布的关键，本发明采用70-80 ℃有利于TPU非织造布发生适当溶胀，使得碳纳米管不仅分散于非织造布表面，而且扩散进入纤维内，增强与纤维之间的作用力。此外，超声修饰时间较短（0.5-1.5min），不会损伤或破坏TPU非织造布纤维的结构。
附图说明
图1为实施例1制备的TPU导电非织造布的SEM图，a：TPU；b：0.1-TPU；c：0.2-TPU；d：0.3-TPU；e：0.4-TPU；f：0.5-TPU；g：0.6-TPU；
图2为实施例1制备的TPU导电非织造布的电阻率曲线。
具体实施方式
下面结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明所公开的实施例，本领域普通技术人员可以对本发明的技术方案进行局部修改或者等同替换，在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的TPU导电非织造布的制备方法，步骤如下：
（1）将TPU粒料于真空烘箱内在95℃温度下真空干燥10 h除去水分；
（2）采用熔喷纺丝技术制备TPU非织造布，具体工艺如下：螺杆挤出机一区~五区温度分别为：155 oC，185 oC，200 oC，220 oC，230 oC；计量泵温度为235 oC；熔喷模头温度为230oC；计量泵转速9 rad/min；风机转速50 r/min；卷绕速度2.0 m/min。TPU非织造布的厚度为0.05mm，非织造布中纤维的直径为30-50 µm；
（3）配制质量浓度分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 mg/mL的多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液，在80 ℃下超声震荡0.5 h，使多壁碳纳米管在二甲苯溶液中均匀分散；
（4）将TPU非织造布剪成1 cm×2 cm的样条，放于步骤（3）中的多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液中，在80 ℃温度下超声震荡0.5 min，取出样条，放入烘箱，在50 ℃下干燥10 min，重复该步骤2次，可以制备不同导电能力的TPU导电非织造布，为了简便，用x-TPU代表不同浓度碳纳米管对应的TPU导电非织造布。
本实施例制备的TPU导电非织造布的扫描电子显微镜图如图1所示。由图可以看出，纯TPU非织造布纤维表面光滑。导电修饰以后，当cMWCNTs浓度较低时，TPU非织造布表面比较光滑，cMWCNTs在TPU非织造布表面分散，但尚未形成连续导电网络。当碳纳米管浓度较高时（≥0.2 mg/mL），TPU非织造布纤维表面明显变粗糙，随cMWCNTs浓度增加，非织造布表面粗糙程度也越来越高。此时，cMWCNTs均匀修饰于TPU非织造布表面构成导电网络结构。当cMWCNTs浓度增大至0.5 mg/mL和0.6 mg/mL时，TPU导电非织造布中出现了少量的团聚，但是团聚的尺寸较小（<1 µm）。说明利用超声修饰的方法可避免碳纳米管的团聚，促使碳纳米管在TPU非织造布表面均匀修饰。此外，由SEM可知，碳纳米管不仅均匀修饰于TPU非织造布表面，而且渗透进入纤维内，有利于构筑稳定的导电网络结构，增强碳纳米管与TPU间的界面结合力。
图2是TPU导电非织造布的电阻率曲线。由图可知，随cMWCNTs浓度增加，TPU导电非织造布的电阻率降低，导电能力提高。当cMWCNTs质量浓度为0.1 mg/mL时，电阻率为627.5Ω·m，非织造布不导电。当cMWCNTs浓度为0.2 mg/mL时，cMWCNTs在TPU无纺布表面均匀修饰形成导电网络，TPU非织造布的电阻率突降为157.3 Ω·m。随cMWCNTs浓度继续增加，电阻率降低缓慢。cMWCNTs的浓度分别为0.3 mg/mL、0.4 mg/mL、0.5 mg/mL和0.6 mg/mL时，电阻率分别降低至84.9 Ω·m、51.6 Ω·m、23.6 Ω·m和10.4 Ω·m。与文献中报道的结果相比，本研究制备的TPU导电非织造布的逾渗值显著降低。
实施例2
本实施例TPU导电非织造布的制备方法，步骤如下：
（1）将TPU粒料于真空烘箱内在95 ℃温度下真空干燥10 h除去水分；
（2）采用熔喷纺丝技术制备TPU非织造布，具体工艺如下：螺杆挤出机一区~五区温度分别为：160 oC，190 oC，210 oC，225 oC，235 oC；计量泵温度为240 oC；熔喷模头温度为235oC；计量泵转速9 rad/min；风机转速50 r/min；卷绕速度2.0 m/min，TPU非织造布的厚度为0.05mm，非织造布中纤维的直径为10-20 µm；
（3）配制质量浓度分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 mg/mL的多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液，在70 ℃下超声震荡1 h，使多壁碳纳米管在二甲苯溶液中均匀分散；
（4）将TPU非织造布剪成1 cm×2 cm的样条，放于步骤（3）中的多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液中，在70 ℃温度下超声震荡0.5 min，取出样条，放入烘箱，在50 ℃下干燥10 min。重复该步骤2次，可以制备不同导电能力的TPU导电非织造布。
实施例3
本实施例TPU导电非织造布的制备方法，步骤如下：
（1）将TPU粒料于真空烘箱内在95 ℃温度下真空干燥10 h除去水分；
（2）采用熔喷纺丝技术制备TPU非织造布，具体工艺如下：螺杆挤出机一区~五区温度分别为：150 oC，180 oC，200 oC，220 oC，230 oC；计量泵温度为235 oC；熔喷模头温度为230oC；计量泵转速7 rad/min；风机转速50 r/min；卷绕速度2.0 m/min。TPU非织造布的厚度为0.1mm，非织造布中纤维的直径为20-30 µm；
（3）配制质量浓度分别为0.2，0.4，0.6，0.7 mg/mL的多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液，在70 ℃下超声震荡1 h，使多壁碳纳米管在二甲苯溶液中均匀分散；
（4）将TPU非织造布剪成1 cm×2 cm的样条，放于步骤（3）中的多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液中，在70 ℃温度下超声震荡0.5 min，取出样条，放入烘箱，在50 ℃下干燥10 min。重复该步骤2次，可以制备不同导电能力的TPU导电非织造布。
实施例4
本实施例TPU导电非织造布的制备方法，步骤如下：
（1）将TPU粒料于真空烘箱内在95 ℃温度下真空干燥10 h除去水分；
（2）采用熔喷纺丝技术制备TPU非织造布，具体工艺如下：螺杆挤出机一区~五区温度分别为：150 oC，180 oC，200 oC，220 oC，230 oC；计量泵温度为235 oC；熔喷模头温度为230oC；计量泵转速7 rad/min；风机转速50 r/min；卷绕速度2.0 m/min；TPU非织造布的厚度为0.05mm，非织造布中纤维的直径为20-30 µm；
（3）配制质量浓度分别为0.2，0.4，0.6，0.7 mg/mL的多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液，在75 ℃下超声震荡45 min，使多壁碳纳米管在二甲苯溶液中均匀分散；
（4）将TPU非织造布剪成1 cm×2 cm的样条，放于步骤（3）中的多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液中，在75 ℃温度下超声震荡1 min，取出样条，放入烘箱，在50 ℃下干燥10 min。重复该步骤2次，可以制备不同导电能力的TPU导电非织造布。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种热塑性聚氨酯导电非织造布的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）热塑性聚氨酯粒料干燥：将热塑性聚氨酯粒料在95 ℃下真空干燥10 h；
（2）熔喷热塑性聚氨酯非织造布：将上述干燥的热塑性聚氨酯粒料采用熔喷纺丝制备纤维粗细均匀的热塑性聚氨酯非织造布；
（3）多壁碳纳米管分散液配制：以二甲苯为溶剂，多壁碳纳米管为溶质，在70-80℃下超声震荡0.5-1 h，使多壁碳纳米管在二甲苯溶液中均匀分散，得到不同质量浓度的多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液；
（4）热塑性聚氨酯非织造布的导电修饰：将步骤（2）中的热塑性聚氨酯非织造布剪成1cm×2 cm的样条，将样条放入多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液中超声震荡0.5-1.5 min，取出样条，放入烘箱，在50 ℃下干燥8-15 min，可制备不同导电能力的热塑性聚氨酯导电非织造布。
2.根据权利要求1所述的热塑性聚氨酯导电非织造布的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中熔喷纺丝制备热塑性聚氨酯非织造布的工艺过程如下：螺杆挤出机一区~五区温度分别为：150-165 oC，180-190 oC，200-210 oC，220-225 oC，230-235 oC；计量泵温度为235-240 oC；熔喷模头温度为230-235 oC；计量泵转速7-9 rad/min；风机转速40-50 r/min；卷绕速度1.5-2.0 m/min。
3.根据权利要求1所述的热塑性聚氨酯导电非织造布的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中热塑性聚氨酯非织造布的厚度为0.05-0.2 mm，非织造布中纤维的直径为10-80 µm。
4.根据权利要求1所述的热塑性聚氨酯导电非织造布的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中多壁碳纳米管/二甲苯混合溶液的浓度为0.1-0.7 mg/mL。
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