涤纶纱线柔性发热丝制备工艺研究

涤纶纱线柔性发热丝制备工艺研究

随着纳米科学技术的发展和纺织功能的不断发展，人们对服装材料和行业的纺织机制的要求越来越高。目前,常见的柔性发热丝主要有碳纤维及镀银纱线由于碳纳米管具有低密度、高拉伸强度等性能1固化成形模块开发的涤纶/碳纳米管(CNTs)发热丝涂覆系统如图1所示。主要由声波振动均匀涂覆、纱线固化成形、纱线表面柔性化处理、纱线输出速度控制等模块组成。其中声波振动均匀涂覆模块利用扬声器带动盛有碳纳米管溶液染槽按照一定的频率振动,实现涤纶纱线表面的均匀涂覆,扬声器振动频率可通过控制信号频率的调节进行改变;固化成形模块是将已涂覆碳纳米管溶液的纱线送至恒温控制箱中进行固化,该恒温箱由FCD-3000型智能温度控制器进行温度控制,可实现0~400℃恒温控制;柔性化处理模块将涂覆固化成形的碳纳米管纱线浸入柔性化处理溶液中,进行表面柔性化处理并固化,减少碳纳米管涂覆纱线在弯折时出现折裂和脱落;纱线输出调速模块以STC90C51单片机为控制器,通过驱动模块控制步进电动机依照工艺要求完成纱线输出速度控制。2丝绸和丝绸的制备和测试2.1试剂与仪器涤纶纱线,线密度为89tex,市售;羧基化多壁碳纳米管(CNTs-006-2C),羧基含量2.00%,内径为5~10nm,外径为10~20nm,长度为10~30μm,分析纯,苏州碳丰石墨烯科技有限公司;聚氧乙烯月桂醚(Brij-30),高纯级,上海谱振生物科技有限公司;3-磺丙基十四烷基二甲甜菜碱,分析纯,上海谱振生物科技有限公司);丁腈乳胶,固含量为45%,pH值为10,工业级,靖江市通高化工有限公司;水性聚氨酯树脂,工业级,广州冠志新材料科技有限公司。2.2碳纳米管悬浮液的制备将4.5g碳纳米管、0.6g3-磺丙基十四烷基二甲甜菜碱和0.45g聚氧乙烯十二烷基磺酸醚依次加入150mL去离子水中,超声3h得到均匀分散的碳纳米管悬浮液。2.3丝绸线预处理直接涂覆碳纳米管溶液时附着性差,为改善涤纶纱线的表面形态,增加表面的粗糙性,提高涂覆的效果2.4涤纶/cnts发热丝的制备在上述基础上,将碳纳米管悬浮液倒入染槽,然后将处理后的涤纶纱线浸入碳纳米管溶液中,再送入固化成形模块中烘干,得到初步成形的涤纶/CNTs发热丝。具体工艺为:浸染3min,浸染温度为30℃,声波振动频率20Hz;固化成形时间为3min,温度为110℃。2.5涤纶/cnts发热丝的制备工艺为提高上述制备的发热丝的耐磨和可洗涤性,需要进行柔性化处理。具体工艺为:将发热丝浸入温度为70℃的柔性化处理溶液(水性聚氨酯和丁腈橡胶1∶1共混)一定时间,然后烘干,此时发热丝表面包覆一层防水洗的弹性薄膜,得到处理后的涤纶/CNTs发热丝。2.6发热丝过程电阻测试为测量成形后涤纶发热丝电阻率,在室温条件下,取长度分别为1、5、10、15cm的CNTs/涤纶发热丝各10段,测量不同长度纱线电阻的平均值R,经下式可计算出纱线的电阻率:式中:S为纱线横截面积,1.82×103结果与讨论3.1热丝的外观采用上述工艺方法制备出的外观柔性发热丝的外观如图2所示。可看出,涂覆后涤纶纱线表面光滑、尺寸均匀,包覆效果较好,无脱落、结块等现象。3.2纱线平均电阻率对成形的发热丝电阻率进行测量,得到电阻率随纱线长度变化趋势,结果如图3所示。由图3可看出,纱线平均电阻率随长度变化趋于稳定,其标准偏差逐渐变小。在长度为15cm时纱线电阻率为24.895Ω·cm,标准偏差为0.473Ω·cm,电阻率波动较小,说明碳纳米管在涤纶纱线表面涂覆较均匀。3.3织物结构观察为了进一步观察CNTs/涤纶发热丝表面涂覆的微观形貌,取长度为1cm涤纶纱线为样品,借助扫描电子显微镜对其表面进行观察,得到其微观结构照片如图4所示。从图4可看出,涂覆后的涤纶纱线被完整包覆,表面致密且平整,由高倍图还可看出碳纳米管间相互交织形成均匀的涂覆层。3.4发热丝网络结构及温度场为测量发热丝的发热性能,取15根5cm长的发热丝和未经处理的涤纶纱线通过相互交错编织成如图5所示结构,用导电铜箔胶带将发热丝两端短接,形成并联网络结构,测得并联后的电阻值约为1.49×10从图6可看出,发热丝温度增长随时间基本呈线性变化,并且在4min时,温度可达50.3℃。说明制备的发热丝可实现通电发热。后续可通过调节碳纳米管溶液浓度等参数对发热丝的发热性能进行调节。3.5洗涤对发热丝电阻率的影响取长度为10cm的发热丝置于水中,在常温条件下,经磁力搅拌器在1500rad/min条件下机械搅拌,后经40℃烘干处理,水洗10次。未洗涤前电阻率记为ρ测得不同水洗次数与发热丝电阻率的变化如表1所示。从表1可看出,随洗涤次数增加,发热丝电阻率的变化率先增大后趋于稳定,洗涤2次后,电阻率的变化率基本稳定。后续还可通过改变柔性处理液的浓度及温度等工艺参数进一步提高成形纱线的耐洗涤效果。4柔性发热丝及热性能1)开发了集声波振动均匀涂覆、纱线表面柔性化处理、纱线的固化成形等为一体的纱线表面碳纳米管均匀涂覆系统,可实现涤纶/碳纳米管柔性发热丝的制备。2)成形