PETCNT共混纖維抗靜電性能的研究

1、PET/CNTs共混纖維抗靜電性能的研究閆承花（太原理工大學(xué)輕紡工程與美術(shù)學(xué)院 ，山西 晉中030600 ）摘 要：本文通過采用碳納米管、PET切片混合制成抗靜電母粒, 再將母粒與PET 切片共混紡絲制得PET/CNTs共混纖維。用纖維比電阻儀、摩擦式織物靜電測試儀測量不同碳納米管含量的共混纖維及其織物的抗靜電性能。研究結(jié)果表明，添加少量的CNTs能明顯改善聚酯纖維和織物的抗靜電性能。共混纖維的抗靜電性能隨著CNTs添加量的增加而提高。關(guān)鍵詞: PET; 碳納米管（CNTs）；多壁碳納米管（MWNTs）；共混纖維；抗靜電1 引言PET纖維，學(xué)名聚酯纖維，我國商品名為滌綸。其性能優(yōu)良, 廣泛應(yīng)用

2、于服裝、裝飾、產(chǎn)業(yè)三大領(lǐng)域。但其吸濕性差, 公定回潮率只有 0.4 %，易積聚靜電荷, 經(jīng)摩擦易產(chǎn)生靜電，給加工和使用帶來諸多不便。因此改善滌綸抗靜電性能一直是熱門課題。碳納米管 (CNTs) 具有優(yōu)良的電性能和電磁性能1，CNTs是電導(dǎo)體或半導(dǎo)體。它作為共混材料的添加劑，能顯著地提高聚合物的抗靜電能力。目前碳納米管的批量制備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，碳納米管的實(shí)際應(yīng)用已成為新的研究重點(diǎn)。如：純鐵/碳納米管、 純鋁/ 碳納米管、 尼龍 6/碳納米管2等共混材料的研究已經(jīng)取得一定成果。如在 PMMA 中摻入重量分?jǐn)?shù)為5%的CNTs，可使 PMMA 的體積電阻率降低 3個(gè)數(shù)量級(jí),表面電阻率降低 4個(gè)數(shù)量級(jí)3。利用

3、碳納米管的導(dǎo)電性制備抗靜電聚酯纖維4也受到關(guān)注。本課題先用碳納米管與PET切片混合制得抗靜電母粒, 然后母粒再與PET切片共混紡絲制PET/ CNTs共混纖維。用纖維比電阻儀和摩擦式織物靜電測試儀進(jìn)行了靜電性能測試。實(shí)驗(yàn)表明PET/CNTs共混纖維具有良好的抗靜電性能。2 PET/CNTs共混纖維的制備2.1碳管抗靜電母粒的制備2.1.1 原料簡介CNTs： 碳納米管，深圳納米有限公司產(chǎn),長度1 2 um，管徑10 20 nm ,純度大于95% 。CNTs是由單層或多層石墨片卷曲而成的納米管體。CNTs分多壁碳納米管(MWNTs)和單壁碳納米管(SWNTs)。我們選用了多壁碳納米管（MWNTs

4、），簡稱碳管。PET: 半消光PET切片，中國石油化工股份有限公司天津分公司生產(chǎn)，熔點(diǎn)254.9，水分含量0.02；2.1.2工藝路線碳納米管（CNTs）酸處理雙螺桿注塑機(jī)冷卻水槽切粒機(jī)碳管母粒聚酯切片（PET） 干 燥由于CNTs的長徑比大，極易聚集成束，發(fā)生纏繞和團(tuán)聚現(xiàn)象，在PET基體中不易分散5，所以制備碳管抗靜電母粒前，必須先對原料CNTs進(jìn)行表面處理。本實(shí)驗(yàn)采用了稀硝酸做表面處理劑。即：將未處理的CNTs加入到盛有硝酸溶液的三口燒瓶中；常溫條件下超聲分散，超聲頻率為20KHz；接著加熱到60氧化30分鐘。反應(yīng)液冷卻后，進(jìn)行過濾并反復(fù)洗滌；真空抽濾后干燥、研磨和過篩?；瘜W(xué)處理后CNTs

5、表面引入羧基、羰基等含氧基團(tuán)，提高了與PET的相容性。將酸處理后的和干燥處理后的純PET切片進(jìn)行混合，加入到CET35雙螺桿擠出注塑成型機(jī)（科倍隆(南京)機(jī)械有限公司生產(chǎn)）中，在各區(qū)溫度為266-283條件下進(jìn)行熔融注塑成帶條，再用LD-60型切粒機(jī)（江蘇泰州鑫力塑料橡膠機(jī)器有限公司生產(chǎn)）制得抗靜電碳管母粒。 2.2 PET/ CNTs共混紡絲2.2.1原 料 ： 碳管母粒、PET切片2.2.2工藝路線碳管母粒 干燥紡絲螺桿熔融紡絲上油牽伸卷繞（PET/ CNTs纖維）PET切片 干燥采用母粒共混紡絲法，將碳管母粒干燥后，通過母粒注射機(jī)（學(xué)院自制的）加入紡絲螺桿擠壓機(jī)中，同時(shí)將干燥后的純PET

6、切片也加入紡絲螺桿擠壓機(jī)中。二者在紡絲機(jī)中匯合、熔融和共混后經(jīng)紡絲組件及噴絲板擠出成型，再冷卻、上油、牽伸和卷繞制得PET/ CNTs共混纖維。CNTs與PET經(jīng)歷了制備母粒和紡絲過程的兩次共混后，CNTs在PET基體中分散均勻，初步解決了分散性、界面相容性等問題。實(shí)驗(yàn)用紡絲設(shè)備是無錫蘭華紡織機(jī)械有限公司生產(chǎn)的LHFT30型紡絲-牽伸FDY機(jī)。紡絲工藝參數(shù)如表1.表1 紡絲工藝參數(shù)樣 品參數(shù)值PETMWNTs/PET區(qū)溫度/278278區(qū)溫度/288292.3區(qū)溫度/293.3296區(qū)溫度/295298彎管溫度/298298箱體溫度/309309熱板溫度/1401401#熱盤/95952#熱盤

7、/1151153#熱盤/130130徐冷溫度/80.380.3螺桿壓力/MPa6-73-4熔體溫度/294294.7抗靜電母粒和純PET切片按表2所示的三種比例投料共混紡絲，制得三種CNTs 含量不同的PET/CNTs共混纖維。我們試紡過CNTs含量為1.0%的，但可紡性變差，發(fā)生毛絲斷頭太多。表2 共混紡絲時(shí)碳管母粒與PET切片的質(zhì)量比紡制共混纖維樣品333333# 母粒 / PET切片(kg)1:242: 234：21纖維中CNTs 含量（ wt%）0.20.40.83 PET/ CNTs共混纖維抗靜電性能的測試3.1比電阻測試實(shí)驗(yàn) 3.1.1實(shí)驗(yàn)儀器與材料共混纖維、純PET纖維、純棉纖維

8、YG321型纖維比電阻儀、XD2102T型紡織天平（精密度0.01g）、鑷子3.1.2試樣準(zhǔn)備 本實(shí)驗(yàn)選用4種纖維試樣，純PET纖維、PET/碳管共混纖維，依次編號(hào)為1#4#。要求樣品長度均勻,盡可能將試樣扯松成單纖維狀態(tài)，并且混合均勻，應(yīng)沒有影響試驗(yàn)結(jié)果的疵點(diǎn)。3.1.3實(shí)驗(yàn)方法用紡織天平稱取4份棉纖維，每份重10g, 再稱取1#4#纖維各5g,分別與棉纖維充分混合，各組樣用手扯松后，置于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（20±2、65%±2%）條件下平衡48h以上，已備測試使用。用YG321型纖維比電阻儀測試每組試樣的比電阻，并記錄數(shù)據(jù)。3.2摩擦式織物靜電測試實(shí)驗(yàn)3.2.1實(shí)驗(yàn)儀器與材料共

9、混纖維、純PET 纖維手搖式針織機(jī)、YG341N型摩擦式織物靜電測試儀。3.2.2實(shí)驗(yàn)方法在手搖式針織機(jī)上將4種纖維分別織成5×20（×）大小的織物并依次做標(biāo)記。把每種織物剪成4塊5×5（×）的織物，用 YG341N型摩擦式織物靜電測試儀測量其感應(yīng)靜電壓，并記錄數(shù)據(jù)。純PET 纖維即CNTs含量為0%。4 結(jié)果與分析4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.1.1 纖維比電阻測試不同添加量的PET/CNTs 纖維比電阻測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。4.1.2 摩擦式織物靜電測試實(shí)驗(yàn)不同比例共混的PET/CNTs纖維織物摩擦靜電測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。表3 纖維比電阻測試結(jié)果編號(hào)抗靜電母粒在纖

10、維中的含量（%）CNTs含量（ wt% ）導(dǎo)體的電阻R（M）質(zhì)量比電阻（ ·g/cm）1#003.6×13.5×2#40.22.4×9×3#80.42.2×8.25×4#160.81.8×6.75×表4 織物摩擦靜電測試結(jié)果 CNTs含量0%0.20%0.40%0.80%摩擦靜電壓/V158012151075873衰減靜電壓/V957729653591 4.2結(jié)果分析4.2.1 PET/CNTs 共混纖維的抗靜電性能隨著CNTs含量的增大而提高。實(shí)驗(yàn)一用纖維的比電阻來表征其抗靜電性能。電阻越小，纖維的抗靜

11、電性能越好。由表2可知，在PET中添加少量CNTs就能降低纖維的比電阻。實(shí)驗(yàn)二用共混纖維織成織物。用織物摩擦后的感應(yīng)靜電壓來表征纖維的抗靜電性能。摩擦后感應(yīng)靜電壓越小，纖維織物的抗靜電性能越好。表3中測試數(shù)據(jù)表明，隨著CNTs含量的增加，織物的感應(yīng)靜電壓下降。即PET/CNTs共混纖維織物的抗靜電性能隨著CNTs含量的增大而提高。 4.2.2 PET/CNTs共混纖維抗靜電性與添加劑CNTs的結(jié)構(gòu)有關(guān)。SWNTs是由單層的碳原子繞合而成，結(jié)構(gòu)具有較好的對稱性和單一性；MWNTS是由許多柱狀碳管同軸套構(gòu)而成。CNTs獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和幾何特點(diǎn)決定了其在電子學(xué)上的獨(dú)特性。有研究表明，不同類型的CNTs，

12、由于其直徑和螺旋度的不同，導(dǎo)電性能也不相同。SWNTs總是金屬性的；MWNTS部分為半導(dǎo)體性，部分為金屬性。CNTs在電子學(xué)領(lǐng)域已用于集成電路、超導(dǎo)線材和電池電極6等。因此，選擇添加劑CNTs時(shí)，應(yīng)選導(dǎo)電性好的。CNTs本身導(dǎo)電性越好，在纖維和織物中疏導(dǎo)靜電荷的作用就越大，共混纖維的抗靜電效果就會(huì)更好。SWNTs的導(dǎo)電性最好，但我們考慮到酸處理會(huì)破壞它的單壁結(jié)構(gòu)，從而降低實(shí)際導(dǎo)電抗靜電效果，所以選用了成本較低的MWNTs，它的外壁在酸處理中受到破壞但內(nèi)部多層壁不易破壞，能起到抗靜電的效用。4.2.3 CNTs的分散性制約著共混纖維抗靜電性的提高。在本實(shí)驗(yàn)條件下，制得的PET/CNTs共混纖維C

13、NTs最高為0.8%。達(dá)到1.0%時(shí)就出現(xiàn)堵孔斷絲。我認(rèn)為是CNTs數(shù)量增加凝聚粒子增大所致。若進(jìn)一步提高CNTs在共混體系中的分散性, 進(jìn)一步改進(jìn)紡絲工藝，增加CNTs 的比例，使CNTs在纖維中構(gòu)成導(dǎo)電通道,將能顯著改善纖維的抗靜電性能。5 結(jié)語 通過自制PET/CNTs共混纖維，并對其纖維抗靜電性能的反復(fù)測試，對聚酯纖維中添加CNTs可改善纖維的抗靜電性能做了初步的研究。PET/CNTs共混纖維的抗靜電性能隨著CNTs添加量的增加而增強(qiáng)；但綜合考慮表面性能、熱性能、流變性及可紡性 ,CNTs添加量不宜過多。且CNTs含量的提高受到多因素的制約，有待進(jìn)一步研究探討。參考文獻(xiàn)1龍威, 顧媛娟

14、.碳納米管的力學(xué)性能及聚合物/碳納米管復(fù)合材料J.材料導(dǎo)報(bào), 2002,16(12):52- 57.2賈志杰, 王正元等. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版),2000, 40( 4) .3賈志杰,王正元,徐才錄.碳納米管的加入對PMMA 強(qiáng)度和導(dǎo)電性能的影響 J .材料開發(fā)與應(yīng)用, 1998, 13( 5) : 224榮根, 黃志超, 程貞娟.添加碳納米管聚酯母粒的制備及性能.紡織學(xué)報(bào).第 26 卷 第3期2005 年 6月.龔5曉鐘 ,湯皎寧 ,古坤明 ,楊欽鵬. 碳納米管分散性的研究.廣東化工.2005年第4期8-96張文毓.碳納米管及其應(yīng)用J.云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005, 27(3

15、A):151-154.英文摘要和關(guān)鍵詞A Study on the Antistatic Properties of PET/CNT FiberAbstracts: Carbon Nanotubes( CNTs) were added to PET slice by blending to be antistatic masterbatch . PET/CNT fiber was made of antistatic masterbatch and PET slice by blended spinning. The influence of the antistatic property o

16、f the fiber with different proportion of CNT was studied by the Fiber resistance instrument and the Friction type fabric static tester. The antistatic property of the fiber was compared with pure polyester. Results show that a small amount of CNT can improve the antistatic property of PET obviously. With the increase of CNTs, the antistatic performance of