专利名称：一种导电纤维及其制备方法
技术领域：
本发明涉及功能纤维技术，具体为一种导电纤维及其制备方法，国际专利分类号拟为Int.C1.D06M 13/00(2006.01)。
背景技术：
众所周知，合成纤维具有天然纤维所没有的高强度、耐磨等优点，因此被广泛应用于各个领域。但由于合成纤维属于电介质范畴，其电阻很大，导电率很小，因此很容易积累静电。这些积累的静电不仅使纺织品加工难以顺利进行，而且也使其所应用的生产领域和人们的生活带来很多的不便，甚至有生命安全危险。静电放电所造成的频谱干扰危害，是在电子、通信、航空、航天以及其他应用现代电子设备、仪器的场合导致设备运转故障、信号丢失、误码、电子元器件失效、降低电子产品可靠性的直接原因之一。因此静电障害是各行业最为关注的安全问题。降低静电障害的最有效手段是实施静电防护，把静电障害控制在危险水平以下。导电纤维就是消除静电，减少静电障害实施静电防护的主要手段之一。
导电纤维的制备方法通常有以下几种一是添加法，即在基体聚合物中加入金属粉末和导电碳黑或在其中加入金属化合物等导电微粒，进而直接纺丝制成导电纤维。如美国专利US4388370、US 5776608、US 4129677和中国专利CN 1438363A、CN 1584140A，就是用导电碳黑作为导电成分制成导电纤维的。这类导电纤维的缺点是颜色基本为黑色和灰色。美国专利US 4835056以金属镍粉作为导电组分，US5391432和US 5318845向基体聚合物中添加金属氧化物来制造导电纤维，但该类纤维强度较差，应用范围有限。最近报道的中国专利CN 1563562A和CN1569939A制备的导电纤维中含有碳纳米管，但其主要缺陷是碳纳米管在聚合物纤维中的取向度低、其与聚合物之间粘合性能较差、与聚合物的模量差异大，在纤维断裂时，碳纳米管易从纤维中拨出，使导电纤维功能不稳定或失去功能。
二是表面涂敷法。美国专利US 6703123和US 4716055报道了在纤维表面涂上或电镀上一层金属涂层的导电纤维制造方法；US 4061827介绍了在纤维表面涂上导电碳粒的导电纤维制造方法；US 4378226披露了通过化学反应在纤维表面形成硫化铜导电层的导电纤维制造方法；中国专利CN 87 1 04346A和CN 1424455A也介绍了在纤维表面金属涂层的导电纤维制造方法。这种涂敷导电纤维的导电性虽较好，但使用过程中纤维表面的导电涂层容易脱落，纤维的导电耐久性较差，不利于实际应用。
三是利用某些聚合物本身的导电性质制备导电纤维，如聚苯胺等。美国专利US 5882566和US 5788897以及中国专利文献CN 1450210A和CN 1316554A公开的都是利用聚苯胺的导电性制造本征导电纤维的技术。该种导电纤维采用湿法纺丝技术，工艺较复杂，凝固浴需要回收处理，易造成环境污染。
此外，中国专利CN 1101918A用纳米铜超细粒子作催化剂使乙炔聚合成高聚物，再经高温相变处理制得纳米导电纤维；CN 1214380A用煮染法，CN1584141A采用原液着色法也都制得了导电纤维。但这几种方法的生产周期偏长，不适合连续化、高速化的大工业生产。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是提供一种导电纤维及其制备方法。该导电纤维导电性强，强度高，耐久性好，应用范围广，且容易纺丝和工业化生产。该导电纤维的制备方法采用熔融复合纺丝方法，工艺简单，成本低廉，清洁无污染，符合环保要求，便于工业化实施。
本发明解决所述导电纤维技术问题的技术方案是设计一种导电纤维，它具有皮芯复合结构，芯层为聚酯，皮层为含有导电组分的聚丙烯，皮芯复合比为2∶8～8∶2；皮层的质量百分比配方为聚丙烯70～80％，纳米导电粉20～30％；所述的纳米导电粉为锑掺杂氧化锡，平均粒径不超过0.1微米，电阻值为10Ω·cm，且其经表面处理，包括占其质量百分比的下列成分
偶联剂3～10％；分散剂2～5％；抗氧剂0.01～0.1％，所述的偶联剂为单烷氧基钛酸酯偶联剂或氯丙基三甲氧基硅烷偶联剂；所述的分散剂为低分子聚乙烯蜡；所述的抗氧剂为四[β-(3’，5’-二叔丁基-4’-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
本发明解决所述导电纤维制备方法技术问题的技术方案是设计一种导电纤维的制备方法，它采用本发明所述的导电纤维配方和如下工艺(1).制备导电母粒①.将所述纳米导电粉在90-100℃下干燥后，把其放入高速搅拌器中，分别依次加入所述比例的分散剂低分子聚乙烯蜡2～5％，抗氧剂0.01～0.1％，再采用喷雾方式加入已用1-3倍的稀释剂石油醚稀释后的偶联剂3～10％，高速搅拌15-30分钟后出料，在真空烘箱中烘干；②.将上述物料与所述比例的聚丙烯粉体高速混合5-15分钟后出料，再将其投入双螺杆挤出机中混合挤出、造粒得导电聚丙烯母粒；载体树脂聚丙烯熔点160～165℃，螺杆转速40-120转/分，水浴冷却温度10～30℃；(2).制备导电纤维采用双螺杆复合纺丝机纺丝，按所述的皮芯比，螺杆1输送芯层聚酯切片，螺杆2输送皮层导电聚丙烯母粒，分别进行预结晶、干燥和螺杆挤出纺丝成形，纺丝速度为2800～3000米/分。
与现有技术相比，本发明的有益效果是以新型浅色纳米导电粉为导电组分，通过表面包覆，分散处理，使其均匀地分在在载体树脂中，通过高速搅拌，混合，挤出制成导电聚丙烯母粒，再用双螺杆进行复合纺丝，纺制成具有特殊功能的导电纤维。本发明选用浅色纳米导电粉，易于染色，扩大了导电纤维适用范围；采用复合技术提高了纤维的强度，可达2.0～3.5CN/dtex。导电纤维的熔融纺丝工艺清洁无污染，经济环保。用复合纺丝机制备导电纤维，纺速可达2800～3000米/分，可实现大生产的高速化、连续化，提高了生产效率。纤维导电性能优异，单丝体积比电阻为103～105Ω·cm。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述本发明设计的一种导电纤维，它采用皮芯复合结构，芯层为聚酯，皮层为含有导电组分的聚丙烯，皮芯复合比为2∶8～8∶2；皮层的质量百分比配方为聚丙烯70％～80％，纳米导电粉20％～30％。
所述的皮层聚丙烯和芯层聚酯为一般纤维级，无特别要求，便于工业广泛应用。所述的纳米导电粉为新型的浅色纳米导电粉，实施例选用市售的锑掺杂氧化锡，平均粒径不超过0.1微米，电阻值为10Ω·cm，且其经表面处理，包括占其质量百分比的下列成分偶联剂3～10％；分散剂2～5％；抗氧剂0.01～0.1％。
所述的纳米导电粉具有导电性能良好，与聚合物相容性好，在聚合物中分散均匀，物理化学性质稳定，无毒、无味，色浅(非黑色)、易着色，工艺适应性强等优点。
所述的偶联剂为单烷氧基钛酸酯偶联剂或氯丙基三甲氧基硅烷偶联剂；所述的分散剂为低分子聚乙烯蜡；所述的抗氧剂为四[β-(3’，5’-二叔丁基-4’-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
本发明同时设计了所述导电纤维的制备方法，它采用本发明所述的导电纤维配方和如下工艺(1).制备导电母粒①.将所述的纳米导电粉在90-100℃下干燥后，把其放入高速搅拌器中，分别依次加入所述比例的分散剂低分子聚乙烯蜡2～5％，抗氧剂0.01～0.1％，再加入已用偶联剂用量1-3倍的稀释剂石油醚稀释后的偶联剂3～10％，高速搅拌15-30分钟后出料，在真空烘箱中烘干；②.将上述物料与所述比例的聚丙烯粉体高速混合5-15分钟后出料，再将其投入双螺杆挤出机中混合挤出、造粒得导电聚丙烯母粒；导电母粒中导电粉含量20～30％，载体树脂聚丙烯熔点160～165℃，螺杆转速40-120转/分，水浴冷却温度10～30℃；(2).制备导电纤维采用双螺杆复合纺丝机纺丝，按所述的皮芯比，螺杆1输送芯层聚酯切片，螺杆2输送皮层导电聚丙烯母粒，分别进行预结晶、干燥和螺杆挤出纺丝成形，纺丝速度为2800～3000米/分。
本发明熔融纺丝各部分的工艺温度为
本发明导电纤维制备方法中，所述的偶联剂可以是单烷氧基钛酸酯偶联剂，也可以是氯丙基三甲氧基硅烷偶联剂。所选择的偶联剂因其是能同时与极性和非极性物质产生结合力的化学物质，用以提高纳米导电粉与聚丙烯切片之间的粘合力。制备方法中所述的偶联剂在使用之前须用稀释剂将其稀释，稀释剂用量是偶联剂用量的1～3倍，优选2倍。本发明实施例使用的稀释剂是石油醚。为了保证分散均匀，所加入的稀释剂石油醚采用喷雾方式实施。
本发明所述导电纤维制备方法中使用的分散剂是低分子聚乙烯蜡。这是因为导电组分纳米导电粉混合时容易产生团聚体，在施加足够大的机械力(充分搅拌)的作用下，所述的分散剂可以克服纳米导电粉粒子之间的凝聚力，将团聚体打碎。另外，所述的分散剂还可以改变纳米导电粉粒子的表面物性，提高纳米导电粉与聚丙烯切片的亲和力，达到理想的分散效果。抗氧剂的加入可以提高聚丙烯的热稳定性。
本发明采用熔融纺丝工艺，以新型的浅色纳米导电粉为导电组分制备的导电纤维，将熔融纺丝技术、复合纺丝技术及纳米技术结合起来的新技术，未见有相关文献报道。
本发明未述及之处适用于现有技术。以下说明性的实施例可帮助进一步理解本法明，但本发明不受实施例限制。
实施例1
将100份纳米导电粉在95℃干燥条件下进行干燥，把干燥以后的纳米导电粉放入高速搅拌器中，分别加入分散剂低分子聚乙烯蜡2％，抗氧剂0.05％，用喷雾方式加入偶联剂3％。高速搅拌20分钟后出料，在真空烘箱中烘干。将上述物料100份与聚丙烯粉体400份高速混合10分钟后出料，将其投入双螺杆挤出机的料斗，进行双螺杆混合挤出、造粒。母粒中导电粉含量20％，螺杆转速120转/分，水浴冷却温度10℃。纺丝用双螺杆复合纺丝机。螺杆1输送PET聚酯切片，螺杆2输送导电母粒，分别进行预结晶、干燥、螺杆挤出。螺杆1挤出和螺杆2挤出经过计量后进行纺丝成形，皮芯复合比为2∶8，纺丝速度为3000米/分。
对所得导电纤维的测试表明，纤维强度为3.3CN/dtex，体积比电阻为4.8×104Ω·cm。
实施例2～5实施例2-5所述的导电纤维及其制备方法具体工艺条件参见表1。表中未涉及的与实施例1相同，。
表1实施例2～5的具体工艺参数表
注■——占导电粉的重量百分比；▲——偶联剂用量的倍数。
权利要求
1.一种导电纤维，它具有皮芯复合结构，芯层为聚酯，皮层为含有导电组分的聚丙烯，皮芯复合比为2∶8～8∶2；皮层的质量百分比配方为聚丙烯70～80％，纳米导电粉20～30％；所述的纳米导电粉为锑掺杂氧化锡，平均粒径不超过0.1微米，电阻值为10Ω·cm，且其经表面处理，包括占其质量百分比的下列成分偶联剂3～10％；分散剂2～5％；抗氧剂0.01～0.1％，所述的偶联剂为单烷氧基钛酸酯偶联剂或氯丙基三甲氧基硅烷偶联剂；所述的分散剂为低分子聚乙烯蜡；所述的抗氧剂为四[β-(3’，5’-二叔丁基-4’-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
2.一种导电纤维制备方法，它采用权利要求1所述的导电纤维配方和如下工艺(1).制备导电母粒①.将所述纳米导电粉在90-100℃下干燥后，把其放入高速搅拌器中，分别依次加入所述比例的分散剂低分子聚乙烯蜡2～5％，抗氧剂0.01～0.1％，再加入已用偶联剂用量1-3倍的稀释剂石油醚稀释后的偶联剂3～10％，高速搅拌15-30分钟后出料，在真空烘箱中烘干；②.将上述物料与所述比例的聚丙烯粉体高速混合5-15分钟后出料，再将其投入双螺杆挤出机中混合挤出、造粒得导电聚丙烯母粒；载体树脂聚丙烯熔点160～165℃，螺杆转速40-120转/分，水浴冷却温度10～30℃；(2).制备导电纤维采用双螺杆复合纺丝机纺丝，按所述的皮芯复合比，螺杆1输送芯层聚酯切片，螺杆2输送皮层导电聚丙烯母粒，分别进行预结晶、干燥和螺杆挤出纺丝成形，纺丝速度为2800～3000米/分。
3.根据权利要求2所述的导电纤维制备方法，其特征在于所述的偶联剂采用喷雾形式加入。
4.根据权利要求2或3所述的导电纤维制备方法，其特征在于所述稀释剂石油醚的用量为所加入偶联剂用量的2倍。
全文摘要
本发明涉及一种导电纤维及其制备方法。该导电纤维具有皮芯复合结构，芯层为聚酯，皮层为含有导电组分的聚丙烯，皮芯比为2∶8～8∶2；皮层的质量百分比配方为聚丙烯70～80％，纳米导电粉20～30％；所述纳米导电粉为锑掺杂氧化锡，平均粒径不超过0.1微米，电阻值为10Ω·cm，且其经表面处理，包括占其质量百分比的偶联剂3～10％、分散剂2～5％和抗氧剂0.01～0.1％，所述偶联剂为单烷氧基钛酸酯偶联剂或氯丙基三甲氧基硅烷偶联剂；所述分散剂为低分子聚乙烯蜡；所述抗氧剂为四[β－(3’，5’－二叔丁基－4’－羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。该制备方法按本发明所述配方先制备导电聚丙烯母粒，再用熔融纺丝工艺制备导电纤维。
文档编号D01F6/04GK101086088SQ20061001405
公开日2007年12月12日 申请日期2006年6月6日 优先权日2006年6月6日
发明者程博闻, 丁长坤, 康卫民, 张桂芳, 杨瑞玲 申请人:中国石油化工股份有限公司, 天津工业大学