涤纶导电纤维的制备

涤纶导电纤维的制备

丝绸纤维广泛应用于纺织和工业领域。然而，丝绸纤维的薄水性和绝缘性容易在干燥环境下积累静水。导电纤维一般是指电阻率小于10本文采用溶解-涂覆法,将一定量处理过的导电炭黑分散在苯酚和四氯乙烷溶液中,加入一定量的涤纶纤维溶解后制成涂覆液,将涂覆液均匀的涂覆在纤维表面,洗涤、烘干,得到涤纶导电纤维。探讨了工艺参数对涤纶导电纤维的微观结构、力学性能、导电性能和耐水洗性能等的影响。1实验部分1.1纤维强力分析涤纶;导电炭黑,粒径10~20μm;钛酸酯偶联剂311;苯酚、四氯乙烷、氢氧化钠、盐酸均为分析纯。MIT515型绝缘电阻测试仪;AL104型电子天平;LLY-06型电子纤维强力仪;DZF-6020型真空干燥箱;Quanta-450-FEG+X-MAX50型场发射扫描电镜。1.2导电炭黑的制备将涤纶纤维浸渍于氢氧化钠溶液中,90℃下进行去油处理50min。滴盐酸至中性后洗净烘干。将5%(占导电炭黑的质量比)的碳酸酯偶联剂以雾状喷到导电炭黑上,对导电炭黑进行处理。将导电炭黑、苯酚和四氯乙烷充分搅拌,其中苯酚与四氯乙烷的质量比1∶1。加入一定量的涤纶纤维,溶解后,加入钛酸酯偶联剂处理后的导电炭黑制成涂覆液。将涂覆液均匀的涂覆在处理后的涤纶纤维上,烘干,得到导电涤纶纤维。1.3性能试验1.3.1体积比阻力测试一定长度的纤维放电稳定后测量其电阻R(Ω);则导电纤维体积比电阻ρ=RS/L,其中S为测试纤维的横截面积(cm1.3.2耐水性测试1.3.3肌力测试纤维试样长度15mm,拉伸速率30mm/min,测试温度25℃,相对湿度50%。每个试样测试5组,取平均值。2结果与讨论2.1苯酚/四氯乙烷溶液浸渍前后sem图图1为涤纶纤维浸渍溶剂前后的SEM图片,其中(a)为原涤纶纤维SEM图,(b)为原涤纶纤维经苯酚/四氯乙烷溶液浸渍后的SEM图。由图1可知,苯酚/四氯乙烷溶液对涤纶有溶解作用,并由于溶解了涤纶表面部分而形成图中涤纶表面的刻痕,而这些刻痕的形成有利于以后表面涂覆时炭黑颗粒嵌入纤维表面,从而增加炭黑粒子与涤纶的结合力,直接影响以后涤纶导电纤维的耐持久性能。2.2导电纤维导电能力表1为当涂覆液中涤纶纤维含量2%时,涂覆液中导电炭黑含量对导电纤维体积比电阻的影响。由表1可知,随着炭黑含量从2%到10%的逐步增大,所得导电纤维的体积比电阻起初变化不大,但当炭黑含量在4%左右时导电纤维体积比电阻突然急剧增大,之后纤维电阻变化又再次趋于平稳。导电纤维的导电效果是由其中的电荷迁移方式来决定的。随着基体纤维中炭黑粒子含量不断增加,基体纤维上粒子之间的间隙不断减小,部分电荷已能在电场力的作用下克服其间强大势垒而产生定向移动,形成微弱电流,宏观上表现为纤维导电,但电阻率较高(表中涂覆液中的炭黑含量小于4%左右时为此阶段)。当基体纤维上导电粒子之间的间隙小于10nm时,导电粒子含量达到逾渗阈值,体系导电网络突然形成,使得纤维体积比电阻突然减小,原因在于隧道效应的产生,使大量电荷轻易地克服粒子间微弱势垒产生定向移动,纤维电阻率骤然减小。当基体纤维上炭黑电粒子含量高到一定程度时,炭黑粒子便会直接物理接触,纤维导电方式为接触传导机制,其导电能力直接取决于炭黑的导电性。此后尽管涂覆液中炭黑含量继续增加,但由于使用的导电填料已然固定,故纤维的电阻率变化再次趋于稳定。而实际上纤维导电情况比理论上还要复杂,但整体来看,当炭黑粒子含量达到逾渗阈值致使纤维体积比电阻突然减小以后,接下来导电纤维体积比电阻变化并不大,故只要将炭黑含量控制在逾渗阈值以上即可,从表中可以看出,炭黑含量控制在5%(考虑到实验误差故略大4%)附近较为合理。2.3导电纤维的制备方法图2为水洗次数对纤维体积比电阻的影响,涂覆液中涤纶纤维含量2%,导电炭黑含量5%时制备的涤纶导电纤维。由图2可知,经过数十次反复的洗涤和烘干,导电纤维的体积比电阻基本变化不大,说明了所制备的涤纶导电纤维具有良好的导电耐久性。从上面分析可以看出,本文采用的导电纤维的制备方法是在传统涂覆法的基础上改进而来的,不仅保留了传统涂覆法制备的导电纤维导电性能良好、成本较低的优点,也在一定程度上改善了其导电耐久性不足的缺点。这是因为溶解-涂覆法中,涂覆液对涤纶有一定溶解效果,因此一方面可以在涂覆液中溶解一定量的纤维来提高导涂覆液与纤维的结合力;另一方面在对纤维进行涂覆时,部分导电炭黑粒子因其纤维表面发生溶解而镶入纤维中,再被外面的涂覆液粘附后,几乎成为基体纤维表层的一部分,这将极大增强导电成分与纤维的结合力。因此该方法制备的导电纤维的导电耐久性较好。2.4纤维表面溶解程度导电纤维的力学性能主要由纤维中导电成分的含量和纤维在溶剂中的溶解情况来决定的。一方面,由于导电成分的脆性较大,和纤维结合在一起后会使得纤维的柔韧性下降,从而影响导电纤维的力学性能,而导电成分太少会导致导电纤维的导电性能较差;另一方面,如果纤维表面溶解的过多,则有可能对纤维整体结构产生损坏,从而影响其力学性能,但是若纤维表面溶解不足,导致纤维表面产生的刻痕偏少,就会影响导电成分与纤维的结合,这不仅会使得导电纤维的导电性能下降,还会使得纤维与导电成分的结合力下降,从而影响导电纤维的耐用性,故在导电纤维的制备工艺中,既要在有限时间内控制溶剂与纤维表面的相互作用时间,确保纤维与溶剂接触的时间内完成纤维表层的溶胀及部分溶解,又要控制纤维表层部分溶解程度,保证纤维整体结构不受破坏,保持基体纤维原有力学性能特性。由此可见,从导电纤维的力学性能是否发生较大变化,也能间接的检验其它方面条件(导电成分含量、纤维表面溶解程度等)是否合理。表2显示了原涤纶纤维和涤纶导电纤维的断裂强度和断裂伸长率。由表2可知,用溶解-涂覆法制备的导电纤维,和涤纶原丝相比,其力学性能变化不大,这也间接地反映了所得导电纤维中炭黑的含量和纤维表面的溶解程度等条件较为合理。3溶解-涂覆法所制备的涤纶导电纤维的力学性能(1)采用溶解-涂覆法可以在炭黑质量分数为5%左右时制