一种高性能碳黑型导电纤维的制作方法

专利名称：一种高性能碳黑型导电纤维的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种复合导电纤维，具体地说，涉及一种有机碳黑复合导电纤维。
技术背景 衣物由于摩擦而产生静电是日常生活中经常见到的现象。静电的存在，使衣物容易吸附尘埃，从而严重影响到高精密仪器、生物制药、食品等行业的生产；同时，众所周知， 静电的存在增加了易燃、易爆场所出现火灾、爆炸的可能性。因此，这些场合对织物的性能， 特别是抗静电性能提出了更高的要求。具有强度高、耐磨性好、原料来源充分等优点的合成纤维广泛应用于纺织行业各个领域，但由于其疏水性，较天然纤维更易产生静电，因此采用技术手段抑制或消除其静电是拓宽合成纤维使用范围的有效方法。
以往，织物消除静电的最主要方法是对织物进行抗静电后整理，在其表面涂覆表面活性剂，或者在织物中加入亲水聚合物纺制的纤维，这些方法不同程度都存在抗静电持久性差、不耐水洗或受环境温湿度条件影响大的缺陷。因此，一种可以更有效地消除静电的方法在现阶段被广泛地使用，这就是在织物中加入能够彻底、永久性消除静电的导电纤维。 导电纤维之一抓复合型有机碳黑导电纤维可使导电性不受环境温湿度的影响，在任何状态下都赋予纤维制品突出的抗静电效果，同时由于其特殊的加工工艺，耐水洗性能优异，因而具有持久的抗静电性。
复合型有机碳黑导电纤维采用复合纺丝的技术，加入了占纤维总重量最多至30% 的导电碳黑，使纤维最终具备良好的消除静电的性能，但也因此极大地提高了纤维的制造与后加工难度。复合型碳黑导电纤维具有不同的截面，从而具有不同的导电性能、力学性能及可纺性能。专利CN200510102574.0《导电性优异的复合纤维的制造方法》介绍了一种偏心型导电纤维，专利CN00131865. 9《导电性复合纤维》介绍了碳黑主要以点状均勻分布在纤维外侧的导电纤维，专利CN02805915.8《纤维复合体及其用途》介绍了皮芯型(碳黑在皮层)的导电纤维，专利CN200710075982.0《耐久高性能复合导电纤维及纤维制造方法》 介绍了一种三叶型或多层型复合导电纤维，专利CN200410044897. 4《原液着色复合导电纤维》介绍了一种皮芯结构(导电碳黑在芯层)的导电纤维。
以上这些专利产品代表了国内市场上导电纤维的主要品种。其中碳黑分布在纤维皮层的导电纤维具有良好的导电性能，但由于碳黑层完全裸露，不仅增加了加工难度，而且碳黑层在后期纤维被折揉的过程中具有更大的剥落风险，从而影响其耐久性。碳黑在芯层虽然一定程度弥补了以上缺陷，但纤维的导电性能却显著下降，从而使这类难以进入对导电性能要求苛刻的高级别净化场所。
碳黑以点状形式均勻分布在纤维截面圆周的外表面上，在纤维轴向上形成连续的导电通路，由于碳黑小部分露出纤维表面，绝大部分被纤维聚合物基体所包覆，因此保持了纤维良好的导电性能，同时提高了其耐久及力学性能。因此在纤维外表面上以点状形式均勻分布的导电纤维兼顾了内外皮芯形式的导电纤维的导电性、耐久性与力学性能的优点， 是目前市场上使用最广泛的导电纤维品种。
现阶段，点状导电纤维主要包括1点、3点及4点分布等几个品种，这些纤维均较好地解决了导电碳黑易剥落的问题，但其导电性能同外皮芯导电纤维相比，还有一定差距。因此，本申请研究人员在现有技术的基础上，进行了大量研究和实验，力求得到一种导电性能优良，且耐久性同样优异的复合导电纤维，有鉴于此，特提出本发明。
实用新型内容 本实用新型的目的是提供一种复合导电纤维，该导电纤维具有高的导电性，且耐久性好。
为实现本实用新型的目的，采用的技术方案为一种复合导电纤维，该导电纤维截面由保护层和功能层构成，功能层在纤维截面外周上露出五处。
在纤维截面外周五处露出的功能层，相邻导电层之间距离可以是等距离，也可以是不等距离，其优选相邻导电层之间距离是等距离。
所述的功能层连续从纤维截面外周向纤维截面的中心延伸，且未到达中心，功能层在从纤维截面外周到中心的方向上，其与该功能层在纤维截面外周露出边平行的距离逐渐减少。导电纤维截面上的功能层可以为抛物线形、梯形或三角形，其优选为三角形。呈现为三角形的功能层，其在纤维外周露出的边所对应的内角为5-25度。
功能层在导电纤维横截外周上的每一个露出处的露出距离为复合纤维横截面周长的1/70 1/15，其优选1/30 1/21。
每个功能层在导电纤维横截外周上露出的距离是相等的。
所述的纤维截面可以为现有技术公开的所有形状，包括椭圆形、圆形等，其优选圆形。
本实用新型所述的复合导电纤维为五点型有机碳黑复合导电纤维，是由功能层 (导电层)与保护层(非导电层)经双组份复合纺丝技术而制得，其中功能层由最多至35% (wt%)的高性能导电性碳黑和最多至85% (wt%)的载体树脂组成，载体树脂为聚酰胺或聚酯类成纤高聚物。保护层为聚酰胺或聚酯类成纤高聚物构成。
上述复合纤维截面结构与现有技术相比，一方面将导电成份深入分布到纤维基体内部，使碳黑不易剥落，极大地提高了纤维导电性能的耐久性。另一方面，确保更多的碳黑组份露出纤维表面，因而极大地提高了纤维的导电性能。因此，本实用新型的导电纤维实现了纤维耐久性与导电性的良好结合，规避了皮芯及常见的3点导电纤维的缺陷，是可最终取代现有品种的新型导电纤维产品。
本实用新型中所述的功能层包括占功能层总重量的15% 35%的导电性碳黑和占功能层总重量的65% 85%的聚酰胺及聚酯类成纤高聚物。其优选占功能层总重量的 20% 33%的导电性碳黑和占功能层总重量的67% 80%的聚酰胺及聚酯类成纤高聚物。
本实用新型所述的功能层所使用的导电碳黑是一种高结构、高导电性能的纳米级导电碳黑，在粉末状态时的比电阻彡IO3 Ω . cm,优选比电阻10_2 IO2 Ω . cm。导电碳黑的粒径< 1 μ m，优选20 lOOnm。导电碳黑加入聚合物载体的方式可以采用在熔融状态下混炼的方法实现，为改善其流动性、提高产品性能可添加一定比例的常规造粒常用的分散剂与抗氧剂等。
导电碳黑的加入量会影响功能层的可纺性能与导电性能。碳黑加入量对功能层导电性能的影响，有一个临界值，在临界值之前，随着碳黑加入量的增加，功能层的导电性能增加，可纺性能变差；但达到这个临界值后，再增加加入量，导电性能趋于稳定，可纺性能却仍保持变差的趋势，直至不能纺丝。在实际生产中，可随导电碳黑与载体的种类、产品规格的变化而具体设定碳黑加入量，以求达到导电性能与可纺性能的最佳平衡。针对本发明所使用的导电碳黑与聚合物载体，此临界值为33 % 35 %。
随着功能层含量的增加，纤维导电性增加，力学性能及可纺性能下降。当功能层含量太小时，熔体在组件内难以形成稳定的复合形式，同时导电成份在纤维内所占的比例太小而难以形成导电网络，致使纤维的导电性能不够，难以满足基本要求。但功能层含量太高时，纤维成纤困难，同时力学性能恶化，因此按重量百分比(wt%)计，最终形成的纤维其功能层占纤维总量的5 % 40%，优选为15% 25 %，保护层占纤维总量的60 % 95%，优选为75% 85%。
一种制备本实用新型所述的复合导电纤维的复合纺丝组件，功能层熔体与保护层熔体分别流经各自相互独立的流道，在喷丝板上层复合成设计要求的截面结构后，一同经由喷丝孔喷出而成纤维。
在上述组件的喷丝板上层的分配板的结构形式，良好设计及加工的纺丝组件非常有利于高速纺丝，同市场现有的皮芯组件相比，可纺性大大提高。
由于本实用新型的复合导电纤维在制备过程中采用了上述纺丝组件结构，极大提高了可纺性能，因此可以高速、大流量纺制多孔导电纤维FDY复丝，然后再通过分纤工艺， 将多孔导电纤维FDY复丝分成少孔或单孔导电纤维。导电纤维FDY复丝可以采用纺丝牵伸一步法的工艺制得，具有广泛的生产基础。因此，本实用新型从根本上改变了导电纤维可纺性差、产量低、生产成本高的弊端，更有利于实现导电纤维的工业化生产。
本实用新型所述的复合导电纤维的制备方法如下 首先将导电碳黑和分散剂、抗氧剂等助剂按比例放入高速搅拌机中，在恒温条件下搅拌混合均勻。
将步骤(1)制备的导电碳黑混合粉末和载体树脂(聚酰胺或聚酯类成纤高聚物) 按比例加入双螺杆挤出机中，设定一定的挤出温度，熔融、挤出、冷却成条、切粒而制得导电母粒。
将步骤(2)制备的导电母粒在真空条件下干燥，然后将导电母粒与聚酰胺或聚酯类成纤高聚物采用复合纺丝设备及特殊设计的复合纺丝组件用纺丝牵伸一步法制备截面为五点型的复合导电纤维FDY复丝。
FDY复丝通过分纤工序得到要求孔数的导电纤维。
步骤(1)所述的温度控制在80 120°C。
步骤⑵所述的挤出温度控制在所用载体树脂的熔点以上的20 40°C。
步骤(3)所述的纺丝牵伸一步法具体为分别将导电母粒、聚酰胺或聚酯类成纤高聚物熔融挤压，流经各自独立的熔体管道，在喷丝板上层复合成设计要求的五点型的截面结构后，一同经由喷丝孔喷出成丝条，再经冷却、上油、热辊牵伸以及卷绕过程而得到复合导电纤维FDY复丝。
步骤(4)所述的分纤工序在分纤机上进行，可将多孔FDY复丝分成所要求的少孔或单孔导电长丝。
本实用新型所述的五点型截面的复合导电纤维与所述的FDY复丝再分纤的工艺是紧密相联系的。由于采用FDY复丝再分纤工艺，少孔或单孔导电纤维成品长丝可以通过首先纺制孔数是最终成品丝8 16倍的导电纤维多孔复丝，再分纤为8 16个丝筒的方法而得到，因此极大地提高纺丝产量，更适宜于在常规的FDY生产设备上加工，从而突破了导电纤维长丝产品纺丝产量低、生产难度大的瓶颈。但分纤工艺对导电纤维性能提出了更高的要求，特别是要求纤维表面更光滑。
本实用新型的复合导电纤维的优点在于 (1)本实用新型的五点型复合到纤维先将导电成份深入分布到纤维基体内部，使碳黑不易剥落，极大地提高了纤维导电性能的耐久性。确保更多的碳黑组份露出纤维表面， 因而极大地提高了纤维的导电性能，纤维电阻率< 107Q/cm。因此，本实用新型的导电纤维实现了纤维耐久性与导电性的良好结合。
(2)本实用新型的五点型截面结构兼顾了更好的导电性能与较小的摩擦系数两方面因素，可以良好实现导电纤维FDY复丝的分纤加工，为最终降低导电纤维生产成本、使导电纤维进入防静电的各个领域奠定了基础。

图1 图6是现有技术的导电纤维截面图。
图7图10是实用新型实施例中的复合导电纤维截面图。
具体实施方式
下面通过实例对本实用新型进行具体描述。
实施例1 图7图10所示的是本实用新型的复合导电纤维的截面图，该导电纤维由保护层1 和功能层2构成，在纤维截面外周3上的五处地方露出功能层2，相邻的功能层2之间是等距的，功能层2从纤维截面外周3向纤维截面中心延伸，且在从纤维截面外周到中心的方向上，功能层2内与该功能层在纤维截面外周露出边平行的距离逐渐减少。纤维功能层2由最多至35% (wt% )的高性能导电性碳黑和最多至85% (wt% )的载体树脂组成，载体树脂为聚酰胺或聚酯类成纤高聚物，保护层为聚酰胺或聚酯类成纤高聚物组成，功能2的形状如图7所示为三角形、图9所示的抛物线形或图10所示的梯形；纤维的截面的形状有多种，如图7、9、10所示的圆形或图8所示的椭圆形。该五点型复合到纤维将导电成份深入分布到纤维基体内部，使碳黑不易剥落，极大地提高了纤维导电性能的耐久性。确保更多的碳黑组份露出纤维表面，因而极大地提高了纤维的导电性能。
功能层2在导电纤维横截面外周3上的每一个露出处的露出距离为复合纤维横截面周长的1/70 1/15，每个功能层2在导电纤维横截面外周3上露出的距离是相等的。对于三角形状的功能层，其在纤维外周露出的边所对应的内角为5-25度，所以该五点型截面结构兼顾了更好的导电性能与较小的摩擦系数两方面因素。
实施例2 功能层2为导电层，保护层1为非导电层；百分比若无特别说明均为重量百分比(wt% )。
在下面的实施例中的各项性能指标，根据以下方法测定。
线密度试验按GB/T 14343中绞丝法规定执行； 断裂强度和断裂伸长率试验按GB/T 14344中规定执行； 纤维截面试验用哈氏切片器切片后在光学显微镜下观查并拍照； 纤维导电性能 将纤维切断成IOOmm 士 2mm长度的试样，在纤维试样两端粘上电导率大于
1.OX IiT1SAi的导电胶。然后将试样两端与金属电极相连，外加500V的直流电压，测定电阻值。以同样方法测定5段试样电阻值，取平均值，并折算成每cm长度的电阻值，作为样品的最终测定电阻值。
将33%粒径30 50nm、比电阻10 Ω .cm的高结构导电碳黑粉体与67%的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)以及分散剂、抗氧剂等经包覆、分散、混合后，经双螺杆造粒制得功能层2组份；以纤维级聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)切片为保护层1组份。两组份分别加入复合纺丝机的功能层2、保护层1料仓，进入干燥机进行干燥。功能层2组份也可采用真空转鼓干燥后直接投入功能层2组份干切片料仓。
功能层2、保护层1组份分别经功能层2、保护层1螺杆熔融挤压后，分别经功能层
2、保护层1计量泵按22% 78%的比例将熔体挤入喷丝组件，熔体在组件内复合形成设计要求的截面结构后经喷丝孔喷出获得五点型截面的丝条。丝条经冷却、上油、牵伸、热定型后卷绕成筒，制得导电纤维FDY复丝，其规格为176dtex/16f。牵伸温度设定为80°C，热定型温度设定为135°C，牵伸倍数为2. 6倍，卷绕速度为2800m/min。
将导电纤维FDY复丝在分纤机上分为8个丝筒，设定车速为450m/min。
最终制得的导电纤维的线密度为22. 3dtex/2f,断裂强度为2. lcN/dtex,断裂伸长率为65. 8%，纤维电阻值为1.01 X IO6 Ω/cm。
实施例3 改变功能层2组份碳黑配比为26%，其余同实施例2制得功能层2组份，并采用与实施例相同的纺丝及分纤工艺，制得导电纤维。
导电纤维的线密度为23. 4dtex/3f，断裂强度为2. 2cN/dteX，断裂伸长率为78%， 纤维电阻值为5. 07 X IO6 Ω/cm。
实施例4 将30 %粒径30 50nm、比电阻IOohm. cm的高结构导电碳黑粉体与70 %的聚己内酰胺(PA6)以及相应的分散剂、抗氧剂等经包覆、分散、混合后，经双螺杆造粒制得功能层2 组份；以纤维级聚己内酰胺切片为保护层1组份。两组份分别加入复合纺丝机的功能层2、 保护层1料仓，进入干燥机进行干燥。功能层2组份也可采用真空转鼓干燥后直接投入功能层2组份干切片料仓。
功能层2、保护层1组份分别经功能层2、保护层1螺杆熔融挤压后，分别经功能层 2、保护层1计量泵按18% 82%的比例将熔体挤入喷丝组件，熔体在组件内复合形成设计要求的截面结构后经喷丝孔喷出获得五点截面结构的丝条。丝条经冷却、上油、牵伸、热定型后卷绕成筒，制得导电纤维FDY复丝，其规格为176dtex/16f。牵伸温度设定为60°C，热定型温度设定为150°C，牵伸倍数为2. 9倍，卷绕速度为3200m/min。
将导电纤维FDY复丝在分纤机上分为8个丝筒，设定车速为450m/min。
最终制得的导电纤维的线密度为22. 2dteX/3f，断裂强度为2. 5cN/dteX，断裂伸长率为46%，纤维电阻值为2. 2 X IO6 Ω/cm。
实施例5 在实施例4的基础上，改变功能层2组份中碳黑的含量为33%，其余工艺与实施例 3相同，制得导电纤维。
导电纤维的线密度为24. ldtex/3f，断裂强度为2. 4cN/dteX，断裂伸长率为49%， 纤维电阻值为1.8 X IO6 Ω/cm。
实施例6 在实施例4的基础上，改变牵伸倍数为3. 2倍，卷绕速度为2500m/min，采用纺丝牵伸一步法及分纤工艺制得导电纤维。
导电纤维的线密度为22. 8dtex/3f，断裂强度为3. lcN/dtex，断裂伸长率为41%， 纤维电阻值为7. 23 X IO6 Ω/cm。
权利要求1.一种复合导电纤维，其特征在于，该导电纤维截面由保护层(1)和功能层(2)构成， 功能层(2)在纤维截面外周(3)上露出五处。
2.根据权利要求1所述的复合导电纤维，其特征在于，在纤维截面外周(3)上五处露出 的功能层(2)，相邻的功能层(2)之间距离是等距离。
3.根据权利要求1所述的复合导电纤维，其特征在于，所述的功能层(2)连续从纤维截 面外周向纤维截面的中心延伸，且未到达中心，功能层(2)在从纤维截面外周到中心的方 向，其与该功能层(2)在纤维截面外周露出边平行的距离逐渐减少。
4.根据权利要求3所述的复合导电纤维，其特征在于，功能层(2)为抛物线形、梯形或 三角形。
5.根据权利要求4所述的复合导电纤维，其特征在于，导电纤维截面上的功能层(2)为 三角形。
6.根据权利要求5所述的复合导电纤维，其特征在于，导电层在纤维外周露出的边所 对应的内角为5-25度。
7.根据权利要求1-6任一项所述的复合导电纤维，其特征在于，功能层(2)在导电纤维 横截外周上的每一个露出处的露出距离为复合纤维横截面外周(3)周长的1/70 1/15。
8.根据权利要求7所述的复合导电纤维，其特征在于，每个功能层(2)在导电纤维横截 外周(3)上露出的距离是相等的。
9.根据权利要求1-6任一项所述的复合导电纤维，其特征在于，所述的纤维截面的形 状为椭圆形或圆形。
10.根据权利要求8所述的复合导电纤维，其特征在于，所述的纤维截面的形状为椭圆 形或圆形。
专利摘要一种碳黑型复合导电纤维，该导电纤维截面由保护层(1)和功能层(2)构成，功能层(2)在纤维截面外周(3)上露出5处，在纤维截面外周(3)上5处露出的功能层(2)，相邻的功能层(2)之间距离是等距离，所述的功能层(2)连续从纤维截面外周向纤维截面的中心延伸，且未到达中心，功能层从纤维截面外周到中心，其与纤维外周平行的距离逐渐减少。本实用新型的五点型复合到纤维极大地提高了纤维导电性能的耐久性，同时兼顾了更好的导电性能与较小的摩擦系数两方面因素，可以良好实现导电纤维FDY复丝的分纤加工，为最终降低导电纤维生产成本、使导电纤维进入防静电的各个领域奠定了基础。
文档编号D01F8/12GK201593077SQ20092031906
公开日2010年9月29日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者袁平, 许志强, 王颢, 杨春喜, 王玥, 高扬, 曹占理 申请人:北京中纺优丝特种纤维科技有限公司, 凯泰特种纤维科技有限公司