一种凹凸棒石杂化的导电纤维及其制备方法

摘要

本发明一种凹凸棒石杂化的导电纤维及其制备方法，其特征是将一种锑掺杂氧化锡的纳米粉体（ATO粉体）滴加入到凹凸棒石的氨水溶液中，通过搅拌、盐酸滴定中和、干燥得到导电粉体，将干燥的导电粉体与聚乙烯吡咯烷酮或者聚乙烯吡咯于400～800℃温度下进行高温活化，得到白色的凹凸棒石杂化的纳米导电剂；再将纳米导电剂制备成纳米导电粉体，将分散好的凹凸棒石杂化的纳米导电粉体高速分散于熔融聚合物中，进行螺杆挤出造粒，得到导电切片；将导电切片再进行熔融纺丝、卷绕、拉伸得到DTY导电纤维。本发明的凹凸棒杂化导电纤维的表面比电阻为102～1010Ω.cm，电荷半衰减0.01～15s。该导电纤维具有抗静电、导电、电磁屏蔽，适用于服装、家具、军工、医疗等领域。

权利要求

1.一种凹凸棒石杂化的导电纤维的制备方法，其特征在于采用以下制备过程与步骤：(a)将纳米ATO粉体滴加入到凹凸棒石的氨水溶液中，于10～80℃温度下进行高速搅拌

20min～12h，再用盐酸进行pH滴定中和，用去离子水清洗，放入烘箱中进行干燥得到导电粉体；将干燥的导电粉体与聚乙烯吡咯烷酮或者聚乙烯吡咯于400～800℃温度下进行高温活化，得到白色的凹凸棒石杂化的纳米导电剂；

所述的ATO与凹凸棒石的质量比为1/1～99/0.1；

所述的导电粉体与聚乙烯吡咯烷酮或者聚乙烯吡咯质量比为1/1～99/1；

(b)配制体积比为99.5/0.5～0.5/99.5石油醚或乙醇水溶液，依次将硅烷偶联剂、凹凸棒石杂化的纳米导电剂、亲水型的高聚物与石油醚或乙醇水溶液于球磨机中进行球磨，球磨时间为10min～12h，在80～150℃温度下进行干燥备用，制得分散好的纳米导电粉体；

所述的硅烷偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570、KH-902、KH-590中的一种或几种；

所述的亲水型的高聚物是指聚吡咯、聚吡咯烷酮、聚乙二醇、聚醚酯中一种；

所述的硅烷偶联剂占石油醚或乙醇水溶液的0.1％～20％；

所述的凹凸棒石杂化的纳米导电剂与硅烷偶联剂质量比为95/5～99/1；

所述的亲水型的高聚物与硅烷偶联剂质量比为1/2～10/1；

(c)将分散好的凹凸棒石杂化的纳米导电粉体高速分散于熔融聚合物中，进行螺杆挤出造粒，得到导电切片；

所述的凹凸棒石杂化的纳米导电粉体占总量的质量分数为0.5％-50％；

所述的聚合物为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚对苯二甲酸丁二醇酯PBT、或者聚对苯二甲酸丙二醇酯PTT；

(d)将导电切片再进行熔融纺丝，在纺丝速度为600-4000m/min进行卷绕，得到导电POY纤维。

2.根据权利要求1所述的制备方法，步骤(c)导电切片还可以由另一种技术方案制得，其特征包括以下步骤，将分散好的凹凸棒石杂化的纳米导电粉体放入乙二醇溶液中，进行超声、球磨、砂磨或者研磨分散；加入到对苯二甲酸中进行酯化，酯化结束后加入50ppm～

500ppm的钛酸正丁酯、0.05％～5％的十二烷基季铵盐进行聚合得所到原位聚合的导电切片；

所述的凹凸棒石杂化的纳米导电粉体占总量的质量分数为0.1％～2％；

所述的乙二醇占总量的质量分数为40％～50％；

所述的对苯二甲酸占总量的质量分数50～60％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征包括以下步骤，将所得到的POY纤维于70～

150℃进行热拉伸得到DTY导电纤维。

4.一种用权利要求1至3任一制备方法制得的凹凸棒杂化的导电纤维，其特征在于纤维的表面比电阻为102～1010Ω.cm，电荷半衰减为0.01～15s。

说明书

一种凹凸棒石杂化的导电纤维及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种纳米杂化且具有导电功能的纤维及制造方法。

背景技术

[0002] 随着导电粉应用领域的不断拓宽,对导电粉的需求量每年将逐年增长。目前美国对高分子复合导电材料的需求量每年以20%-30%的速度递增,其主要研究方向是开发高导电性,低成本的导电粉。

[0003] 国内现在使用的导电粉多以碳黑为主,但由于碳黑粉、石墨粉、碳纤维的导电性差,耐热耐湿性差,颜色深,不宜生产浅色导电材料；而金粉和银粉的价格昂贵，色深；铜粉、镍粉、铝粉等因具有容易氧化,导电性不稳定等缺点,所以目前国内大都致力于浅色导电粉的研究与开发,浅色导电粉的开发填补了国内导电填料的一项空白。浅色导电粉的市场前景非常好。

[0004] 凹凸棒石是一种天然一维棒状纳米材料，具有纤维状或凹凸不平的棒状结构，表现出各种优异的物理化学性质,已被广泛应用于化工、农业、纺织、建材、地质勘探、铸造及制药等领域。

[0005] 凹凸棒石独特的一维纳米棒晶格结构决定了它是制备聚合物纳米复合材料的理想矿物资源,可以在微米填充、纳米增强以及导电性与聚合物进行复合。如曾永斌等人用原位聚合法在凹凸棒土的表面包覆上硫酸掺杂的PANI,合成的纳米复合材料体积电阻率可达到3Ω.cm。

[0006] 虽然到目前为止有一些制备凹凸棒石基的纳米导电粉体，但是未见应用于纤维中，另外还存在以下问题，凹凸棒石的杂化不充分（导电性能不稳定）、颗粒团聚现象严重（局限只能应用于薄膜、涂料或者湿法纺制的纤维中）。

[0007] 本发明采用共混物的相分离和无机导电材料选择性地分散于某一相中，能够保证导电剂在较低的含量中达到较高的导电效果，另外保持较好的可纺性以及力学性能。

发明内容

[0008] 本发明的目的是为了提供一种白色导电纤维以及制备白色导电纤维的方法；

[0009] 本发明另一个目的是提供一种纳米杂化技术，使高聚物能够与凹凸棒石发生接枝反应，能够较好分散纳米导电剂；

[0010] 本发明的再一个目的是利用具有л型结构的高聚物来杂化与分散导电粉体，制造稳定的、导电性能较好的导电纤维的方法。

[0011] 本发明其特征在于具有以下制备过程与步骤：

[0012] 1．将一种锑掺杂氧化锡的纳米粉体（ATO粉体）滴加入到凹凸棒石的氨水溶液中，于10～80℃温度下进行高速搅拌20min～12h，再用盐酸进行pH滴定中和，用去离子水清洗，放入烘箱中进行干燥得到导电粉体；将干燥的导电粉体与聚乙烯吡咯烷酮或者聚乙烯吡咯于400～800℃温度下进行高温活化，得到白色的凹凸棒石杂化的纳米导电剂；

[0013] 所述的ATO与凹凸棒石的质量比为1/1～99/0.1；

[0014] 所述的导电粉体与聚乙烯吡咯烷酮或者聚乙烯吡咯质量比为1/1～99/1；

[0015] 2．配制体积比为99.5/0.5～0.5/99.5石油醚或乙醇水溶液，依次将硅烷偶联剂、凹凸棒石杂化的纳米导电剂、亲水型的高聚物与石油醚或乙醇水溶液于球磨机中进行球磨，球磨时间为10min～12h， 在80～150℃温度下进行干燥备用，制得分散好的纳米导电粉体；

[0016] 所述的硅烷偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570、KH-902、KH-590中的一种或几种；

[0017] 所述的亲水聚合物是指聚吡咯、聚吡咯烷酮、聚乙二醇、聚醚酯中一种，优选聚吡咯；

[0018] 所述的硅烷偶联剂占石油醚或乙醇水溶液的0.1%～20%；

[0019] 所述的凹凸棒石杂化的纳米导电剂与硅烷偶联剂质量比为95/5～99/1；

[0020] 所述的亲水型的高聚物与硅烷偶联剂质量比为1/2～10/1；

[0021] 3．将分散好的凹凸棒石杂化的纳米导电粉体高速分散于熔融聚合物中，进行螺杆挤出造粒，得到导电切片；

[0022] 所述的凹凸棒石杂化的纳米导电粉体占总量的质量分数为0.5%～50%；

[0023] 所述的聚合物不局限于聚丙烯、聚酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、或者聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）；

[0024] 4．将分散好的凹凸棒石杂化的纳米导电粉体放入乙二醇溶液中，进行超声、球磨、砂磨或者研磨分散；加入到对苯二甲酸中进行酯化，酯化结束后加入50ppm～500ppm的钛酸正丁酯、0.05%～5%的十二烷基季铵盐进行聚合得所到原位聚合的导电切片；

[0025] 所述的凹凸棒石杂化的纳米导电粉体占总量的质量分数为0.1%～2%；

[0026] 所述的乙二醇占总量的质量分数为40%～50%；

[0027] 所述的对苯二甲酸占总量的质量分数50～60%；

[0028] 5．将导电切片再进行熔融纺丝，在纺丝速度为600-4000m/min进行卷绕，得到导电预取向纤维（POY纤维）；

[0029] 6．再将所得到的POY纤维于70～150℃进行热拉伸得到DTY导电纤维。

[0030] 本发明提供的凹凸棒杂化导电纤维的表面比电阻为102～1010Ω.cm，电荷半衰减0.01～15s。该导电纤维具有抗静电、导电、电磁屏蔽，适用于服装、家具、军工、医疗等领域。

[0031] 本发明的基本原理在于：

[0032] 1.凹凸棒石中即含有水分也含有羟基(-OH)能够与亲水型的高聚物聚乙烯吡咯烷酮或者聚乙烯吡咯发生反应，将凹凸棒石高温活化后，从而高聚物能够与凹凸棒石发生接枝反应，能够很好地分散在凹凸棒石中，这样既可以改善凹凸棒石与聚合物间的粘接状况,又可通过接枝在凹凸棒石中的聚合物将无机纳米粒子隔开,防止其团聚，达到很好的分散；

[0033] 2.聚吡咯与聚吡咯烷酮具有л型结构，很容易发生电子跃迁，能够将ATO中存在的电子缺陷填充，从而导致凹凸棒杂化的导电粉体，即使添加很少的量也能够达到导电的良好性能，另外由于ATO的结构缺陷被填充，其导电性更为稳定。

[0034] 3. 本发明小分子的亲水剂也可以作为分散剂与接枝剂使用，但是由于导电粉体需要加入到聚合物中进行熔融纺丝或者高温聚合，小分子亲水剂发生热降解，导致聚合、纺丝的困难。

[0035] 4．本发明采用原位聚合方法，能够将导电粉体完全与聚合物发生反应，形成共聚物，十二烷基季铵盐能够与凹凸棒石形成更加稳定的化学键结构，使纳米导电剂不易从聚合物中流失，所以即使千分之一的添加量也能达到较高导电性。

[0036] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0037] 本发明提供的凹凸棒杂化导电纤维具有白色、浅色高导电性的纤维，满足不同领域织物的要求；

[0038] 本发明通过控制杂化、高温活化、分散、聚合等反应条件，控制导电纤维的导电性；

[0039] 本发明制备的凹凸棒杂化导电纤维，经济成本低、性能稳定、可以大规模商业化制备；

[0040] 本发明采用非锑系催化剂，减少污染、反应速度快、降低能源损耗。

具体实施方式

[0041] 下面结合实施例对本发明型进行详细地说明。

[0042] 下面通过实施例对本发明型进行具体的描述，需要指出的是，以下实施例只是用于对本发明型进行进一步说明，不能理解为对本发明型保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。

[0043] 纤维的体积比电阻测定方法：

[0044] 根据GB/T12703的测试纤维的体积比电阻的方法测试纤维织物的纤维体积比电阻值，所用仪器为LFY-405（YG321）（湿度30%，温度常温，电压100v）。

[0045] 纤维半衰期的测试方法：

[0046] 根据GB/T12703的测试纤维的体积比电阻的方法测试纤维半衰期，所用仪器为静电压半衰期测试仪（B-033）（湿度30%，温度常温，电压10kV,时间30s）。

[0047] 实施例1

[0048] 将纳米ATO粉体滴加入到凹凸棒石的pH=11氨水溶液中，ATO与凹凸棒石的质量比为4/1，于80℃温度下进行高速搅拌20min，再用盐酸进行pH滴定中和，用去离子水清洗，放入烘箱中进行干燥得到导电粉体；将质量比为99/1的干燥的导电粉体与聚乙烯吡咯烷酮于800℃温度下进行高温活化，得到白色的凹凸棒石杂化的纳米导电剂；

[0049] 配制体积比为5/5（v/v）石油醚水溶液，配制20%的硅烷偶联剂KH-570的石油醚水溶液、加入凹凸棒石杂化纳米导电剂、亲水型的聚醚酯于球磨机中进行球磨，球磨时间为12h， 150℃温度下进行干燥备用，制得分散好的纳米导电粉体；

[0050] 所述的凹凸棒石杂化的纳米导电剂与硅烷偶联剂质量比为95/5；

[0051] 所述的聚醚酯与硅烷偶联剂质量比为1/2；

[0052] 将上述分散好的占总质量0.5%的凹凸棒石杂化的纳米导电粉体高速分散于聚丙烯聚合物中，进行螺杆挤出造粒，得到导电聚丙烯切片; 将导电切片再进行熔融纺丝，在纺丝速度为4000m/min进行卷绕，得到导电聚丙烯POY纤维。实施例2

[0053] 将纳米ATO粉体滴加入到凹凸棒石的pH=9氨水溶液中，ATO与凹凸棒石的质量比1/1,于10℃温度下进行高速搅拌12h，再用盐酸进行pH滴定中和，用去离子水清洗，放入烘箱中进行干燥得到导电粉体；将质量比为1/1干燥的导电粉体与聚吡咯于400℃温度下进行高温活化，得到白色的凹凸棒石杂化的纳米导电剂；

[0054] 配制体积比为1/99乙醇水溶液，配制0.1%的硅烷偶联剂KH-560的乙醇水溶液、加入凹凸棒石杂化纳米导电剂、聚吡咯于球磨机中进行球磨，球磨时间为12h， 80℃温度下进行干燥备用，制得分散好的纳米导电粉体；

[0055] 上述步骤中凹凸棒石杂化的纳米导电剂与硅烷偶联剂质量比为99/1；

[0056] 上述步骤中聚吡咯与硅烷偶联剂质量比为10/1；

[0057] 将占总质量5%凹凸棒石杂化的纳米导电粉体高速分散于聚酯PET中，进行螺杆挤出造粒，得到导电聚酯切片；

[0058] 将导电切片再进行熔融纺丝，在纺丝速度为600m/min进行卷绕，得到导电POY纤维；再将所得到的POY纤维于150℃进行热拉伸得到DTY导电纤维。

[0059] 实施例3

[0060] 将纳米ATO粉体滴加入到凹凸棒石的pH=10氨水溶液中，ATO与凹凸棒石的质量比9/1,于50℃温度下进行高速搅拌6h，再用盐酸进行pH滴定中和，用去离子水清洗，放入烘箱中进行干燥得到导电粉体；将质量比为1/2干燥的导电粉体与聚吡咯于600℃温度下进行高温活化，得到白色的凹凸棒石杂化的纳米导电剂；

[0061] 配制体积比为10/90乙醇水溶液，配制2%的硅烷偶联剂KH-590的乙醇水溶液、加入凹凸棒石杂化纳米导电剂，聚吡咯于球磨机中进行球磨，球磨时间为1h， 100℃温度下进行干燥备用，制得分散好的纳米导电粉体；

[0062] 上述步骤中凹凸棒石杂化的纳米导电剂与硅烷偶联剂质量比为95/5；

[0063] 上述步骤中聚吡咯与硅烷偶联剂质量比为1/1；

[0064] 将上述步骤中凹凸棒石杂化的纳米导电粉体放入乙二醇溶液中，进行超声分散；加入到对苯二甲酸中进行酯化，酯化结束后加入50ppm钛酸正丁酯、0.05%十二烷基季铵盐进行聚合，得到原位聚合的导电切片；

[0065] 上述步骤中凹凸棒石杂化的纳米导电粉体占总量的质量分数为2%；

[0066] 上述步骤中乙二醇占总量的质量分数为40%；

[0067] 所述的对苯二甲酸占总量的质量分数58%；

[0068] 将导电切片再进行熔融纺丝，在纺丝速度为4000m/min进行卷绕，得到导电FDY纤维。

[0069] 通过本实施例所述方法制得的导电纤维通过纤维比电阻以及电荷衰减仪测得纤维的比电阻为8.5×107Ω.cm，电荷衰减值为1.8s。

[0070] 实施例4

[0071] 将纳米ATO粉体滴加入到凹凸棒石的pH=10氨水溶液中，ATO与凹凸棒石的质量比8/2,于50℃温度下进行高速搅拌1h，再用盐酸进行pH滴定中和，用去离子水清洗，放入烘箱中进行干燥得到导电粉体；将质量比为1/10干燥的导电粉体与聚吡咯于600℃温度下进行高温活化，得到白色的凹凸棒石杂化的纳米导电剂；

[0072] 配制体积比为10/90乙醇水溶液，配制1%的硅烷偶联剂KH-902的乙醇水溶液、加入凹凸棒石杂化纳米导电剂，聚乙二醇于球磨机中进行球磨，球磨时间为1h， 100℃温度下进行干燥备用，制得分散好的纳米导电粉体；

[0073] 上述步骤中凹凸棒石杂化的纳米导电剂与硅烷偶联剂质量比为98/2；

[0074] 上述步骤中聚吡咯与硅烷偶联剂质量比为5/1；

[0075] 将占总质量50%凹凸棒石杂化的纳米导电粉体高速分散于PBT中，进行螺杆挤出造粒，得到导电PBT切片；

[0076] 将导电切片再进行熔融纺丝，在纺丝速度为1000m/min进行卷绕，得到导电POY纤维。

[0077] 通过本实施例所述方法制得的导电纤维通过纤维比电阻以及电荷衰减仪测得纤维的比电阻为4.8×105Ω.cm，电荷衰减值为0.3s。

[0078] 实施例5

[0079] 将纳米ATO粉体滴加入到凹凸棒石的pH=10氨水溶液中，ATO与凹凸棒石的质量比7/3,于50℃温度下进行高速搅拌50min，再用盐酸进行pH滴定中和，用去离子水清洗，放入烘箱中进行干燥得到导电粉体；将质量比为1/10干燥的导电粉体与聚吡咯于800℃温度下进行高温活化，得到白色的凹凸棒石杂化的纳米导电剂；

[0080] 配制体积比为99.5/0.5乙醇水溶液，配制1.5%的硅烷偶联剂KH-550的乙醇水溶液、加入凹凸棒石杂化纳米导电剂，聚吡咯烷酮于球磨机中进行球磨，球磨时间为3h， 100℃温度下进行干燥备用，制得分散好的纳米导电粉体；

[0081] 上述步骤中凹凸棒石杂化的纳米导电剂与硅烷偶联剂质量比为98/2；

[0082] 上述步骤中聚吡咯与硅烷偶联剂质量比为2/1；

[0083] 将占总质量10%凹凸棒石杂化的纳米导电粉体高速分散于PTT中，进行螺杆挤出造粒，得到导电PTT切片；

[0084] 将导电PTT切片再进行熔融纺丝，在纺丝速度为3000m/min进行卷绕，得到导电POY纤维。

[0085] 通过本实施例所述方法制得的导电纤维通过纤维比电阻以及电荷衰减仪测得纤维的比电阻为9.7×106Ω.cm，电荷衰减值为0.5s。