CN113005548A - 一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂 - Google Patents

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Abstract

一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂，所述抗静电剂由如下重量份数的原料组成：100‑240份抗静电剂A；改性碳纳米管，0.5‑2份；去离子水，50‑200份。合成磺酸基改性碳纳米管，与抗静电剂A混合均匀，得到碳纳米管改性抗静电剂。由于碳纳米管附着在纤维表面可形成导电通路，抗静电剂中的极性基团能在纤维表面吸湿形成导电层，两者均能使纤维表面电阻降低，促进静电荷的消散，因此磺酸基改性碳纳米管和抗静电剂的协同作用具有双重抗静电效果，又具有良好的稳定性和分散性，将其应用于纤维后，其抗静电能力明显提高。

Description

一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂
技术领域
本发明涉及一种抗静电剂，尤其是用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂，及其制备方法。
背景技术
合成纤维因其优异的性能被应用于各个领域，但是作为纤维原料的高分子材料，由于其极高的比电阻，在加工和使用过程中受到摩擦力的作用时，所产生的电荷不易逸散，电荷就会积聚在纤维表面，这不仅会影响纤维的加工织造，甚至会造成生产上的安全危害。为防止纤维材料表面的静电荷引起的大量问题，添加抗静电剂是一种有效的方法。
抗静电剂是一种包含亲油基和亲水基的类似于“肥皂”的分子，其中亲油基会吸附于材料表面，而亲水基都向着空气一侧排列，易吸收环境水分，或通过氢键与空气中的水分相结合，形成一个单分子导电层，该导电层可使材料表面产生的静电荷迅速泄漏而达到抗静电目的。专利ZL201610741096.6以对苯二甲酸二甲酯、乙二醇、聚乙二醇和环己烷丁酸锌等成分为原料合成出抗静电剂，将其用于涤纶纤维上，赋予其抗静电效果，但这种抗静电剂包含的成分较为传统，受环境湿度影响较大，且纤维抗静电的效果完全依赖于抗静电剂本身的成分，较单一。所以导电填料就日益受到了人们的关注与研究，如往材料中添加炭黑、石墨烯、玻璃碳等等。但是玻璃碳带来的抗静电效果有限，炭黑的电导率较低，石墨烯成本高且用量较大，这些都给它们的广泛应用带来了限制。
碳纳米管自1991年问世后，由于它具有很大的长径比、优异的导电性能、力学性能和较高的化学稳定性，且由于碳纳米管可形成导电通路，因此碳纳米管被广泛用作抗静电改性材料。专利ZL201610715053.0制备的复合纤维由于加入了碳纳米管而使其具有良好的导电性，但是在对碳纳米管的处理中引入了铂颗粒和其它金属颗粒，这不利于纤维的织造，因为这会给后续产品带来杂质。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的技术，将改性后的碳纳米管和传统的抗静电剂结合起来，提供一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂。由于该抗静电剂中添加了改性后的碳纳米管，不仅不会带来杂质，且可以为纤维带来双重的抗静电效果，大大提高了纤维的抗静电能力，有助于纤维的成网织造。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂，以重量份计，由100-240份抗静电剂A、0.5-2份改性碳纳米管和50-200份去离子水制备而成。
其中，抗静电剂A的制备：以重量份计，将15-40份十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐、10-30份脂肪酸聚氧乙烯酯(其聚合度为9)、15-40份脂肪醇聚氧乙烯醚、10-30份十六烷基三甲基溴化铵和50-100份聚乙二醇400混合并搅拌，最终制得抗静电剂A。
其中，所述改性碳纳米管是磺酸基改性碳纳米管。
所述磺酸基改性碳纳米管的制备是按以下步骤完成的：以重量份计，将3份羧基化碳纳米管分散到750份含有5份N，N二环己基碳二亚胺的无水乙醇溶液中，然后室温下在频率为40kHz的条件下超声分散35～60min得到分散液；再将750份含有3份对氨基苯磺酸的去离子水溶液与上述分散液混合；在50℃下搅拌6h后，经真空抽滤，得到磺酸基改性碳纳米管粗产物，然后用无水乙醇和去离子水交替清洗，直至滤液的pH为6-7，最后将洗涤后的滤饼放入真空烘箱中干燥12h，即得到磺酸基改性碳纳米管。
其中，所述羧基化碳纳米管为多壁碳纳米管，其直径为30-50nm，长度为0.5-10μm，羧基含量为0.73wt％。
本发明还旨在提供一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
(1)制备抗静电剂A：以重量份计，将15-40份十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐、10-30份脂肪酸聚氧乙烯酯(其聚合度为9)、15-40份脂肪醇聚氧乙烯醚、10-30份十六烷基三甲基溴化铵和50-100份聚乙二醇400混合并搅拌，最终制得抗静电剂A；
(2)制备改性碳纳米管；
(3)混合：以重量份即计，将0.5-2份改性碳纳米管和50-200份去离子水混合制备分散液，然后将所述分散液与100-240份步骤(1)制得的抗静电剂A混合并超声，即得。
其中，所述改性碳纳米管是磺酸基改性碳纳米管，所述磺酸基改性碳纳米管的制备方法是按以下步骤完成的：以重量份计，将3份羧基化碳纳米管分散到750份含有5份N，N二环己基碳二亚胺的无水乙醇溶液中，然后室温下在频率为40kHz的条件下超声分散35～60min得到分散液；再将750份含有3份对氨基苯磺酸的去离子水溶液与上述分散液混合；在50℃下搅拌6h后，经真空抽滤，得到磺酸基改性碳纳米管粗产物，然后用无水乙醇和去离子水交替清洗，直至滤液的pH为6-7，最后将洗涤后的滤饼放入真空烘箱中干燥12h，即得到磺酸基改性碳纳米管。
其中，所述羧基化碳纳米管为多壁碳纳米管，其直径为30-50nm，长度为0.5-10μm，羧基含量为0.73wt％。
其中，所述步骤(3)具体为：在功率为560-700W及频率为40kHz下，以重量份计，按重量分数将0.5份～2份改性碳纳米管加入到50～200份去离子水中，超声破碎1h～2h，得到分散液，然后在功率为560W及频率40kHz下，将分散液与100～240份的抗静电剂A混合并超声1h～2h，即得到一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂。
本发明的有益效果为：
1、在制备抗静电剂过程中，由于在碳纳米管表面引入了磺酸基，提高了碳纳米管在水中的分散性，进一步有利于抗静电剂体系的稳定分散性。
2、由于碳纳米管附着在纤维表面可形成导电通路，抗静电剂中的极性基团能在纤维表面吸湿形成导电层，两者均能使纤维表面电阻降低，促进静电荷的消散，因此碳纳米管和抗静电剂的协同作用具有双重抗静电效果。
3、本发明中季铵盐阳离子和经改性后的碳纳米管上都具有较强的极性基团，可与纤维上的活性基团反应，形成较强的结合，使纤维具有耐久的抗静电性能。
4、本发明设计的抗静电剂为碳纳米管改性抗静电剂，不仅具有良好的稳定性，且在用于纤维后，其抗静电能力有了明显提高。
具体实施方式
为了更好的理解发明，下面将以实施例的方式对上述技术方案进行详细描述。
实施例1
以重量份计，将15份十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐、10份脂肪酸聚氧乙烯酯(其聚合度为9)、15份脂肪醇聚氧乙烯醚、10份十六烷基三甲基溴化铵和50份聚乙二醇400混合并搅拌，最终制得抗静电剂A。
选用直径为40nm，长度为1μm的羧基化碳纳米管(多壁)，以重量份计，将3份羧基化碳纳米管分散到750份含有5份N，N二环己基碳二亚胺的无水乙醇溶液中，然后室温下在频率为40kHz的条件下超声分散60min得到分散液。再将750份含有3份对氨基苯磺酸的去离子水溶液与上述分散液混合。在50℃下搅拌6h后，经真空抽滤，得到磺酸基改性碳纳米管粗产物，然后用无水乙醇和去离子水交替清洗，直至滤液的pH为6.9，最后将洗涤后的滤饼放入90℃真空烘箱中干燥12h，即得到磺酸基改性碳纳米管。
在功率为600W及频率为40kHz下，以重量份计，将1份磺酸基改性碳纳米管加入到100份去离子水中，超声破碎2h，得到分散液，然后在功率为560W及频率40kHz下，将分散液与200份制备的抗静电剂A混合并超声2h，即得到一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂。
实施例2
以重量份计，将40份十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐、30份脂肪酸聚氧乙烯酯(其聚合度为9)、40份脂肪醇聚氧乙烯醚、30份十六烷基三甲基溴化铵和100份聚乙二醇400混合并搅拌，最终制得抗静电剂A。
选用直径为40nm，长度为1μm的羧基化碳纳米管(多壁)，以重量份计，将3份羧基化碳纳米管分散到750份含有5份N，N二环己基碳二亚胺的无水乙醇溶液中，然后室温下在频率为40kHz的条件下超声分散50min得到分散液。再将750份含有3份对氨基苯磺酸的去离子水溶液与上述分散液混合。在50℃下搅拌6h后，经真空抽滤，得到磺酸基改性碳纳米管粗产物，然后用无水乙醇和去离子水交替清洗，直至滤液的pH为6.8，最后将洗涤后的滤饼放入90℃真空烘箱中干燥12h，即得到磺酸基改性碳纳米管。
在功率为600W及频率为40kHz下，以重量份计，将1份磺酸基改性碳纳米管加入到100份去离子水中，超声破碎2h，得到分散液，然后在功率为560W及频率40kHz下，将分散液与200份制备的抗静电剂A混合并超声2h，即得到一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂。
实施例3
以重量份计，将25份十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐、20份脂肪酸聚氧乙烯酯(其聚合度为9)、30份脂肪醇聚氧乙烯醚、20份十六烷基三甲基溴化铵和80份聚乙二醇400混合并搅拌，最终制得抗静电剂A。
选用直径为40nm，长度为1μm的羧基化碳纳米管(多壁)，以重量份计，将3份羧基化碳纳米管分散到750份含有5份N，N二环己基碳二亚胺的无水乙醇溶液中，然后室温下在频率为40kHz的条件下超声分散35min得到分散液。再将750份含有3份对氨基苯磺酸的去离子水溶液与上述分散液混合。在50℃下搅拌6h后，经真空抽滤，得到磺酸基改性碳纳米管粗产物，然后用无水乙醇和去离子水交替清洗，直至滤液的pH为7.0，最后将洗涤后的滤饼放入90℃真空烘箱中干燥12h，即得到磺酸基改性碳纳米管。
在功率为600W及频率为40kHz下，以重量份计，将1份磺酸基改性碳纳米管加入到100份去离子水中，超声破碎2h，得到分散液，然后在功率为560W及频率40kHz下，将分散液与200份制备的抗静电剂A混合并超声2h，即得到一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂。
对比例1
按照实施例3的方法制备一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂，唯一不同在于，直接选用直径为40nm，长度为1μm的羧基化碳纳米管(多壁)替代磺酸基改性碳纳米管。
对比例2
按照实施例3的方法制备一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂，唯一不同在于，直接选用直径为40nm，长度为1μm的碳纳米管(多壁)替代磺酸基改性碳纳米管。
对比例3
按照实施例3的方法制备一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂，区别在于，抗静电剂A的组成为45份脂肪酸聚氧乙烯酯(其聚合度为9)、50份脂肪醇聚氧乙烯醚和80份聚乙二醇400。
对比例4
按照实施例3的方法制备一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂，区别在于，抗静电剂A的组成为55份十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐、40份十六烷基三甲基溴化铵和80份聚乙二醇400。
对比例5
按照实施例3的方法制备一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂，区别在于，不添加改性碳纳米管。
将上述实施例1-3以及对比例1-5获得的抗静电剂对纤维进行处理，对所得的原料纤维以及处理后的纤维进行性能测试，具体结果见表1。
表1
Figure BDA0003000163060000071
Figure BDA0003000163060000081
由上述实验数据可以看出，经不同的抗静电剂处理前后的纤维强度并无明显区别，说明抗静电剂处理对纤维的强度影响不大。
由上述实验数据比较可以看出，对比例1和对比例2分别采用了羧基化碳纳米管和普通多壁碳纳米管，实施例3采用了磺酸基改性碳纳米管，由于在碳纳米管表面引入了磺酸基，提高了碳纳米管在水中的分散性，这进一步有利于抗静电剂体系的稳定分散性，因此采用实施例3得到的抗静电剂处理后的纤维获到了更高的抗静电效果。
对比例3的抗静电剂A中省略了含季铵盐阳离子的抗静电剂，提高了脂肪酸聚氧乙烯酯(聚合度9)和脂肪醇聚氧乙烯醚的含量。然而与实施例3相比，采用实施例3得到的抗静电剂处理后的纤维获得了更好的抗静电效果，这说明季铵盐阳离子有助于纤维表面静电荷的消散。为了证明这点，进行了对比例4的实验，结果表明对比例4得到的抗静电效果要优于对比例3，这进一步说明季铵盐中的极性基团的吸湿作用对于抗静电效果有明显提升。
对比例5中不含碳纳米管，而实施例3的抗静电剂中的碳纳米管附着在纤维表面可形成物理导电通路，抗静电剂中的极性基团能在纤维表面吸湿形成化学导电层，两者结合使纤维表面电阻率降低，促进静电荷的消散，因此碳纳米管和抗静电剂的协同作用具有双重抗静电效果。因此，经实施例3得到的抗静电剂处理后的纤维的抗静电效果明显优于对比例5。
显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂，其特征在于，以重量份计，所述碳纳米管改性抗静电剂由100-240份抗静电剂A、0.5-2份改性碳纳米管和50-200份去离子水制备而成；其中，所述抗静电剂A包括以下组分：十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐，15-40份；脂肪酸聚氧乙烯酯，10-30份，其聚合度为9；脂肪醇聚氧乙烯醚，15-40份；十六烷基三甲基溴化铵，10-30份；聚乙二醇400，50-100份。
2.根据权利要求1所述的一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂，其特征在于，改性碳纳米管为磺酸基改性碳纳米管。
3.根据权利要求2所述的一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂，其特征在于，所述磺酸基改性碳纳米管的制备是按以下步骤完成的：以重量份计，将3份羧基化碳纳米管分散到750份含有5份N，N二环己基碳二亚胺的无水乙醇溶液中，然后室温下在频率为40kHz的条件下超声分散35～60min得到分散液；再将750份含有3份对氨基苯磺酸的去离子水溶液与上述分散液混合；在50℃下搅拌6h后，经真空抽滤，得到磺酸基改性碳纳米管粗产物，然后用无水乙醇和去离子水交替清洗，直至滤液的pH为6-7，最后将洗涤后的滤饼放入真空烘箱中干燥12h，即得到磺酸基改性碳纳米管。
4.根据权利要求3所述的一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂，其特征在于，所述羧基化碳纳米管为多壁碳纳米管，其直径为30-50nm，长度为0.5-10μm，羧基含量为0.73wt％。
5.根据权利要求1所述的一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
(1)制备抗静电剂A：以重量份计，将15-40份十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐、10-30份脂肪酸聚氧乙烯酯、15-40份脂肪醇聚氧乙烯醚、10-30份十六烷基三甲基溴化铵和50-100份聚乙二醇400混合并搅拌，最终制得抗静电剂A；
(2)制备改性碳纳米管；
(3)混合：以重量份计，将0.5-2份改性碳纳米管和50-200份去离子水混合制备分散液，然后将所述分散液与100-240份步骤(1)制得的抗静电剂A混合并超声，即得。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述改性碳纳米管是磺酸基改性碳纳米管，所述磺酸基改性碳纳米管的制备方法是按以下步骤完成的：以重量份计，将3份羧基化碳纳米管分散到750份含有5份N，N二环己基碳二亚胺的无水乙醇溶液中，然后室温下在频率为40kHz的条件下超声分散35～60min得到分散液；再将750份含有3份对氨基苯磺酸的去离子水溶液与上述分散液混合；在50℃下搅拌6h后，经真空抽滤，得到磺酸基改性碳纳米管粗产物，然后用无水乙醇和去离子水交替清洗，直至滤液的pH为6-7，最后将洗涤后的滤饼放入真空烘箱中干燥12h，即得到磺酸基改性碳纳米管。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述羧基化碳纳米管为多壁碳纳米管，其直径为30-50nm，长度为0.5-10μm，羧基含量为0.73wt％。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：在功率为560-700W及频率为40kHz下，以重量份计，将0.5份～2份改性碳纳米管加入到50～200份去离子水中，超声破碎1h～2h，得到分散液，然后在功率为560W及频率40kHz下，将分散液与100～240份的抗静电剂A混合并超声1h～2h，即得到一种用于纤维的碳纳米管改性抗静电剂。
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