CN1226472C - 一种含碳纳米管的导电纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种含碳纳米管的导电纤维及其制备方法，该导电纤维含有以下三种组分：聚酯、碳纳米管和偶联剂，其重量配比为：聚酯80～99.9份，碳纳米管0.05～10份，偶联剂0.05～10份。将三种组分经过混合、挤出及纺丝工艺制备成导电纤维，具有圆形或夹层型、皮芯型、桔瓣型和海岛型复合形态。本发明的特点是利用碳纳米管优良的导电性和极高的长径比来制备导电纤维。选用特殊偶联剂增强碳纳米管与聚酯之间的相互作用，并控制合适的制备工艺，使碳纳米管聚团在共混过程中的强剪切作用下被打开。微观分析证明碳纳米管在聚酯基体中均匀分散，只需很少的添加量就可以形成导电网络，获得多种形态综合性能优良的导电纤维。
Description
技术领域
本发明涉及一种导电纤维及其制备方法，特别涉及一种聚合物/碳纳米管导电纤维及其制备方法。
背景技术
高分子材料具有质量轻、综合性能好、成型加工性好、价格低廉等优点，由高分子材料制备的化学纤维在国防、军工、建筑及服装等众多的领域得到大规模推广应用。
大多数化学纤维具有较高的体积电阻，在生产和使用中易因摩擦和感应产生静电。穿着普通服装在绝缘地面上行走时，静电电位可达到3000V以上。较高的静电压可对人体产生电击，并引起电子元件损坏；静电放电可引起火药和化学药品的意外爆炸；静电放电产生的电磁辐射会对各种电子设备、信息系统造成电磁干扰。鉴于静电引起的巨大危害，从1996年4月起实施的日本劳动安全卫生规定就要求所有工作服必须具有抗静电性能。许多发达国家也有类似的规定。
中国专利1082644(公开号)公开了一种将电解铜、纯钨、镍按一定比例制配电解后，对清洗处理后的纤维及布进行电镀的方法。另外中国专利87104346(公开号)公开了一种利用聚丙烯腈初级溶胀纤维浸渍在含有铜离子和硫离子的反应浴中，使硫化铜嵌入纤维内部，至少是沉积在纤维表面层上的方法，在直流电压100伏的条件下，导电纤维比电阻小于1×10#+[5]Ω·cm。这些方法的缺点是织物的耐洗性较差。现有技术中还有将不锈钢等金属制成短纤维，与普通纺织纤维混纺织造，用于防静电地毯和工作服面料。其特点是导电性能好，缺点是抱合力小、可纺性差、织物手感差。
目前用量最大的主要是聚合物/导电炭黑复合材料，陈苏(塑料工业，1997，5，93～95)，夏英(弹性体，2002，12(2)：35～38)等人的研究表明，为了在聚合物基体中形成导电网络，需添加大量的炭黑颗粒(重量比＞20％)，破坏了聚合物的流变性，导致材料的成型加工性和力学性能变差，急需寻找新型导电填料以制备综合性能优良的导电纤维。
碳纳米管是空心的管状纤维结构，其直径一般为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。它具有很强的表面效应，量子尺寸效应，局域场效应和特殊的界面区等很多奇异的物理和化学特性。它具有类似金属的导电强度；其理论强度是钢的100倍，但重量仅是钢的1/7。此外，碳纳米管具有的比表面积适中、充放电能力强等物理及电学特性，可用于汽车、机械、电子、军事等领域的超级电容器制造，并可与各种金属、非金属及高分子材料复合组成综合性能优异的导电材料、高强度复合材料、屏蔽材料及隐身材料等。
在碳纳米管应用研究与开发方面，碳纳米管与聚合物复合制备新一代导电、增强、吸波等高性能复合材料具有重要学术研究意义及巨大的商业价值。但是，由于碳纳米管表面的活性基团非常少，它与聚合物基体的相互作用很弱。另外，碳纳米管的长径比和比表面积都很大，极易团聚和相互缠结，难于在聚合物中均匀分散，使碳纳米管的优异性能无法在复合材料中体现出来(A.Allaoui，S.Bai，H.M.Cheng，J.B.Bai，Composites Science andTechnology 62(2002))。另外，由于碳纳米管聚集体的尺寸大都在微米级以上，如果不能将聚团打开，在纺丝过程中容易造成喷丝板堵塞，在牵伸时易产生断头，使产品的制成率下降。
目前大多采用强酸(如王水)处理等方法来提高分散性，但这样会破坏碳纳米管本身的结构，并残留部分杂质(J.L.Bahr，J.M.Tour，Chem.Mater.ASAP(2001))。同时，强酸处理过程会增加生产成本，容易造成环境污染，不利于碳纳米管复合材料的大规模推广应用。
发明内容
本发明的目的是针对以往导电纤维及其制备方法存在的不足，提供一种导电性好、碳纳米管含量低、成型加工性好的导电纤维及其制备方法。其特点是利用碳纳米管优良的导电性和极高的长径比来制备碳纳米管/聚酯导电纤维。选用特殊偶联剂增强碳纳米管与聚酯之间的相互作用，并控制合适的制备工艺，使碳纳米管聚团在共混过程中的强剪切作用下被打开。微观分析证明碳纳米管在聚酯基体中均匀分散，只需很少的添加量就可以形成导电网络，使其体积电阻大幅度下降。通过常规纺丝及复合纺丝可以制备多种形态综合性能优良的导电纤维。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种含碳纳米管的导电纤维，其特征在于：该导电纤维含有以下三种组分：聚酯、碳纳米管和偶联剂，其重量配比为：聚酯80～99.9份，碳纳米管0.05～10份，偶联剂0.05～10份，将三种组分经过混合、挤出及纺丝工艺制备而成，具有圆形或夹层型、皮芯型、桔瓣型和海岛型复合形态；所述的偶联剂为OP蜡、蒙旦蜡、卡那巴蜡、聚乙烯醋酸乙烯和/或铝酸酯中的至少一种。
所述的碳纳米管采用外径为0.4～100nm，长度为1～100μm的单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管中的至少一种。
所述的聚酯采用平均粒径在500nm～5mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯和/或聚对苯二甲酸丁二醇酯中的至少一种。
本发明提供了一种含碳纳米管的圆形导电纤维的制备方法，该方法按如下步骤进行：
a.预先对聚酯及碳纳米管分别进行真空干燥，然后按比例将所用聚酯、碳纳米管和偶联剂一起加入到高速混合机中，混合温度控制在70-120℃，使其混合均匀；
b.将上述混合物加入双螺杆挤出机中，螺杆转速控制在40-150转/分，挤出温度控制在230-280℃，经挤出并切粒后得到适于纺丝的导电母粒；
c.将步骤b中制得的导电母粒在真空烘箱中干燥，然后采用常规纺丝工艺将上述导电母粒制备成圆形导电纤维。
本发明还提供了另一种含碳纳米管的复合型导电纤维的制备方法，其特征在于：
a.预先对聚酯及碳纳米管分别进行真空干燥，然后按比例将所用聚酯、碳纳米管和偶联剂一起加入到高速混合机中，混合温度控制在70-120℃，使其混合均匀；
b.将上述混合物加入双螺杆挤出机中，螺杆转速控制在40-150转/分，挤出温度控制在230-280℃，经挤出并切粒后得到适于纺丝的导电母粒；
c.将步骤b中制得的导电母粒及聚酯切片在真空烘箱中干燥，然后采用复合纺丝工艺制备夹层型、皮芯型、桔瓣型和海岛型的导电纤维；导电母粒进料螺杆转速控制在1-5转/分，挤出温度控制在250-290℃；聚酯切片进料螺杆转速控制在5-12转/分，挤出温度控制在260-300℃，纺丝温度控制在280-300℃。
本发明还提供了一种上述导电纤维的使用方法，其特征在于：通过单独纺织、与其它纤维混合纺织或做成非织造布，得到具有导电、抗静电、吸波功能的纺织品。
本发明具有如下优点：碳纳米管具有优良的导电性，其导电强度可达铜的10000倍以上，将它与聚酯复合，使其体积电阻大幅度降低。碳纳米管具有很好的力学性能及成型加工性，使共混及纺丝工艺易于控制。通过加入特殊偶联剂提高碳纳米管表面的浸润性，增强碳纳米管与聚酯分子链之间的相互作用，并控制合适的制备工艺，使碳纳米管聚团在共混过程中的强剪切作用下被打开。微观分析证明碳纳米管在聚酯基体中分散均匀，碳纳米管是长径比很大的纳米纤维，只需很少的添加量就可以在聚酯基体中形成导电网络，获得综合性能优良的导电纤维，其体积电阻率约为100-103Ω·cm。
将本导电纤维与涤纶长丝按1∶3混织，获得了性能优良的抗静电织物(见下表)。
| 序号 | 检测项目 | 检测结果 | 计量单位 | 检测依据 | 行业参考值 | |
| 1 | 表面电阻 | 1.2×106 | Ω | GB1410-1989 | ＜108 | |
| 2 | 半衰期 | 0.4 | S | GB/T12703-1991(A法)未经预处理 | ＜几秒 | |
| 3 | 电荷面密度 | 平均值 | 0.25 | μC/m2 | GB/T12703-1991(C法)未经预处理 | ＜7 |
| 最大值 | 0.31 | |||||
附图说明
图1a为碳纳米管聚团的扫描电镜照片。
图1b为碳纳米管的透射电镜照片。
图2a为碳纳米管(重量比2％)/聚酯复合材料断面的扫描电镜照片。
图2b为碳纳米管(重量比6％)/聚酯复合材料断面的扫描电镜照片。
图3a为含碳纳米管的圆型导电纤维断面的显微镜照片。
图3b为含碳纳米管的夹层型导电纤维断面的显微镜照片。
图4为含碳纳米管导电纤维与聚酯长丝混纺(1∶3)织物的照片。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
实施例1：
将真空干燥后的平均粒径为2mm聚对苯二甲酸乙二醇酯99.9份，外径为2～30nm，长度为1～50μm的单壁碳纳米管碳纳米管0.05份，OP蜡0.05份，加入到高速混合机中，混合温度控制在80-100℃，使其混合均匀。再将混合物加入双螺杆挤出机中，螺杆转速控制在60转/分，挤出温度控制在230-260℃，经挤出并使用切粒机切粒后得到导电母粒。将母粒在真空烘箱中干燥，然后采用普通纺丝机经常规纺丝及牵伸工艺制成导电纤维。此导电纤维的碳纳米管含量为0.05％，体积电阻率为2×1010Ω·cm。
实施例2：
将真空干燥后的平均粒径为2mm聚对苯二甲酸乙二醇酯68.2份，聚对苯二甲酸丙二醇酯28.8份，外径为2～30nm，长度为1～50μm的多壁碳纳米管碳纳米管1份，OP蜡2份，加入到高速混合机中，混合温度控制在80-100℃，使其混合均匀。再将混合物加入双螺杆挤出机中，螺杆转速控制在60转/分，挤出温度控制在230-260℃，经挤出并使用切粒机切粒后得到导电母粒。将母粒在真空烘箱中干燥，然后采用普通纺丝机经常规纺丝及牵伸工艺制成导电纤维。此导电纤维的碳纳米管含量为1％，体积电阻率为6×106Ω·cm。
实施例3：
将真空干燥后的平均粒径为80μm聚对苯二甲酸丙二醇酯97份，外径为2～30nm，长度为1～100μm的单壁碳纳米管和多壁碳纳米管碳纳米管各1份，蒙旦蜡1份，加入到高速混合机中，混合温度控制在80-100℃，使其混合均匀。再将混合物加入双螺杆挤出机中，螺杆转速控制在40转/分，挤出温度控制在230-260℃，经挤出并使用切粒机切粒后得到导电母粒。将母粒在真空烘箱中干燥，然后采用普通纺丝机经常规纺丝及牵伸工艺制成导电纤维。此导电纤维的碳纳米管含量为2％，体积电阻率为4×102Ω·cm。
实施例4：
将真空干燥后的平均粒径为150μm聚对苯二甲酸丁二醇酯92份，外径为2～30nm，长度为1～80μm的多壁碳纳米管碳纳米管4份，卡那巴蜡2份，聚乙烯醋酸乙烯2份，加入到高速混合机中，混合温度控制在80-100℃，使其混合均匀。再将混合物加入双螺杆挤出机中，螺杆转速控制在100转/分，挤出温度控制在220-250℃，经挤出并使用切粒机切粒后得到导电母粒。将母粒在真空烘箱中干燥，然后采用复合纺丝工艺制备夹层型导电纤维。导电母粒进料螺杆转速控制在2转/分，挤出温度控制在250-290℃；普通聚酯进料螺杆转速控制在8转/分，挤出温度控制在260-300℃。纺丝温度控制在300℃左右。此导电纤维中碳纳米管含量为0.8％，体积电阻率为7×103Ω·cm。
实施例5：
将真空干燥后的平均粒径为150μm聚对苯二甲酸丙二醇酯44份，聚对苯二甲酸丁二醇酯44份，外径为2～30nm，长度为1～80μm的多壁碳纳米管碳纳米管6份，铝酸酯6份，加入到高速混合机中，混合温度控制在80-100℃，使其混合均匀。再将混合物加入双螺杆挤出机中，螺杆转速控制在120转/分，挤出温度控制在230-260℃，经挤出并使用切粒机切粒后得到导电母粒。将母粒在真空烘箱中干燥，然后采用复合纺丝工艺制备皮芯型导电纤维。导电母粒进料螺杆转速控制在2转/分，挤出温度控制在260-290℃；普通聚酯进料螺杆转速控制在8转/分，挤出温度控制在270-300℃。纺丝温度控制在290℃左右。此导电纤维的碳纳米管含量为1.9％，体积电阻率为3×102Ω·cm。
实施例6：
将真空干燥后的平均粒径为100μm聚对苯二甲酸乙二醇酯64份，聚对苯二甲酸丁二醇酯16份，外径为1～30nm，长度为1～100μm的多壁碳纳米管10份，蒙旦蜡蜡10份，加入到高速混合机中，混合温度控制在80-100℃，使其混合均匀。再将混合物加入双螺杆挤出机中，螺杆转速控制在40转/分，挤出温度控制在230-260℃，经挤出并使用切粒机切粒后得到导电母粒。将母粒在真空烘箱中干燥，然后采用普通纺丝机经常规纺丝及牵伸工艺制成导电纤维。此导电纤维的碳纳米管含量为10％，体积电阻率为8×100Ω·cm。
Claims (4)
1.一种含碳纳米管的导电纤维，其特征在于：该导电纤维含有以下三种组分：聚酯、碳纳米管和偶联剂，其重量配比为：聚酯80～99.9份，碳纳米管0.05～10份，偶联剂0.05～10份，将三种组分经过混合、挤出及纺丝工艺制备而成，具有圆形或夹层型、皮芯型、桔瓣型和海岛型复合形态；所述的偶联剂为OP蜡、蒙旦蜡、卡那巴蜡、聚乙烯醋酸乙烯和/或铝酸酯中的至少一种；所述的碳纳米管采用外径为0.4～100nm，长度为1～100μm的单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管中的至少一种；所述的聚酯采用平均粒径在500nm～5mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯和/或聚对苯二甲酸丁二醇酯中的至少一种。
2.一种如权利要求1所述圆形导电纤维的制备方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：
a.预先对聚酯及碳纳米管分别进行真空干燥，然后按所述比例将聚酯、碳纳米管和偶联剂一起加入到高速混合机中，混合温度控制在70-120℃，使其混合均匀；
b.将上述混合物加入双螺杆挤出机中，螺杆转速控制在40-150转/分，挤出温度控制在230-280℃，经挤出并切粒后得到适于纺丝的导电母粒；
c.将步骤b中制得的导电母粒在真空烘箱中干燥，然后采用常规纺丝工艺将上述导电母粒制备成圆形导电纤维。
3.一种如权利要求1所述复合型导电纤维的制备方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：
a.预先对聚酯及碳纳米管分别进行真空干燥，然后按所述比例将聚酯、碳纳米管和偶联剂一起加入到高速混合机中，混合温度控制在70-120℃，使其混合均匀；
b.将上述混合物加入双螺杆挤出机中，螺杆转速控制在40-150转/分，挤出温度控制在230-280℃，经挤出并切粒后得到适于纺丝的导电母粒；
c.将步骤b中制得的导电母粒及聚酯切片在真空烘箱中干燥，然后采用复合纺丝工艺制备夹层型、皮芯型、桔瓣型和海岛型的导电纤维；导电母粒进料螺杆转速控制在1-5转/分，挤出温度控制在250-290℃；聚酯切片进料螺杆转速控制在5-12转/分，挤出温度控制在260-300℃，纺丝温度控制在280-300℃。
4.如权利要求1所述的导电纤维的使用方法，其特征在于：通过单独纺织、与其它纤维混合纺织或做成非织造布，得到具有导电、抗静电、吸波功能的纺织品。
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