一种基于碳纳米管和炭黑的柔性发热丝制备方法与流程

本发明属于材料技术领域，涉及一种基于碳纳米管和炭黑的柔性发热丝制备方法。

背景技术：

随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，传统纺织品的保暖、防护及装饰功能已无法满足使用需求，人们对纺织品的附加功能提出了更全面化的要求。纺织品的智能化程度不断提升，而智能发热纺织品作为智能纺织品的一种，在提高织物御寒保暖性方面发挥着更加显著的作用。其中电发热材料近一两年也引起人们的关注，常见的发热材料主要有电热金属丝、电热膜、电热织物等。

电热金属丝的电学性能稳定，但质地偏硬，折叠后易折损，与人体贴合度差，织物舒适性不佳，因而应用较少。电热膜和电热织物多采用非金属复合加热材料，其成型后存在导热材料涂覆不匀、导热性不好、易分层脱落等缺陷。因此实现柔性好、强度高、成本低、电热学性能好的发热材料及其纺织品的制备，是发热纺织品发展过程中亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于碳纳米管和炭黑的柔性发热丝制备方法，解决了现有技术中的发热丝材料折叠后易折损，与人体贴合度差，织物舒适性不佳；导热材料涂覆不匀、导热性不好、易分层脱落的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于碳纳米管和炭黑的柔性发热丝制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1)对原料涤纶纱线进行碱减法处理，

用2％wt的naoh溶液在碱减处理装置的储液筒中对原料涤纶纱线进行界面处理，处理次数3-4次，再用清水冲洗后晾干，得到复合牢度强的涤纶纱线基材；

步骤2)制备碳纳米管\炭黑混合悬浮液，

先分别对碳纳米管和炭黑进行表面羧酸化处理后干燥，将质量比为9：0.5：1的碳纳米管、3-磺丙基十四烷基二甲甜菜碱和聚氧乙烯十二烷基磺酸醚依次加入一个容器中的去离子水中，得到50ml浓度为3％wt的碳纳米管悬浮液；同时将质量比为9：3的炭黑和阿拉伯树胶加入另一容器中的去离子水中，得到50ml浓度为3％wt的炭黑悬浮液，将两个容器同时放入磁力搅拌器和超声波清洗器进行搅拌振荡；

然后，将分散好的碳纳米管悬浮液和炭黑悬浮液混合后继续振荡，得到100ml浓度为3％wt且分散均匀的碳纳米管\炭黑混合悬浮液；

步骤3)对复合材料进行沉积，

将碳纳米管\炭黑混合悬浮液放置在超声浸染装置的储液罐中，利用超声浸染装置对涤纶纱线基材进行浸染，使碳纳米管\炭黑混合悬浮液渗入纱线内部，并均匀包裹在纱线表面，得到发热丝；

步骤4)发热丝的固化烘干成型，

深度浸染后，将浸染处理后的发热丝送入烘干固化成型装置的干燥炉中，保证其固化成型；

步骤5)进行柔性处理，

将固化烘干成型的发热丝送入柔性化处理装置的柔性化处理溶液中进行表面覆膜，通过收集装置对成型的柔性发热丝进行收集，烘干成型，得到非金属高导热的柔性发热丝。

本发明的有益效果是，将碳纳米管与炭黑均匀涂覆在涤纶基材表面，从而制备出高导热的柔性发热丝。本发明利用碳纳米管及炭黑的优异的热学性能，通过控制超声振动时间及强度，涂覆在涤纶基材上形成均匀且连续的导热通道，有效提高发热丝的导热特性；同时将碳纳米管\炭黑优异的导电性能与涤纶复合纤维良好的机械性能有机结合，提高了复合材料的综合性能。降低了柔性发热丝的制备难度，缩短了制备周期。本发明制备的复合发热丝与其他复合材料(金属发热丝和非金属发热丝)相比，工艺简单、舒适性好、透气性强、不易脱落、耐弯折耐洗涤性良好。与碳纳米管/涤纶复合发热丝相比，质量轻、成本低，且制备的复合织物即具有碳纳米管和炭黑的导电及导热性能，又能保持基体织物的物理性，为制备非金属发热织物提供一种新方法。

附图说明

图1是本发明柔性发热丝的制备流程装置布置示意图。

图中，1.原料涤纶纱线，2.碱减处理装置，3.超声浸染装置，4.烘干固化成型装置，5.柔性化处理装置，6.收集装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明的制备方法采用的装置，按照原涤纶纱线1的走料路线，依次包括碱减处理装置2、超声浸染装置3、固化烘干成型装置4、柔性化处理装置5及收集装置6，该五个装置均可采用现有技术的设备。

本发明采用涤纶表面碱化处理方式(采用碱减处理装置2)提高界面的复合牢度；采用表面修饰法(采用65％浓硝酸处理)将碳纳米管及炭黑表面进行羧酸化处理；采用添加表面活性剂与超声波搅拌分散相结合的方式(采用超声浸染装置3及磁力搅拌器)制备分散均匀的碳纳米管\炭黑混合悬浮液；通过超声振动方式(采用超声浸染装置3)使得碳纳米管和炭黑更均匀地涂覆于基体材料表面；采用固化处理方式(采用固化烘干成型装置4)，成型得到高导热的柔性发热丝；后期柔性化处理方式(采用柔性化处理装置5)用于改变发热丝的耐磨损、耐折、耐洗涤性。

本发明的制备方法，利用上述的各个装置，按照以下步骤实施：

步骤1)对原料涤纶纱线1进行碱减法处理，

用2％wt的naoh溶液在碱减处理装置2的储液筒中对原料涤纶纱线1(基体材料)进行界面处理；

碱减法处理条件为：naoh溶液的温度为90±5℃，时间为3±0.1min，处理次数3-4次，再用清水冲洗后晾干，得到复合牢度强的涤纶纱线基材；

步骤2)制备碳纳米管\炭黑混合悬浮液，

先分别对碳纳米管和炭黑进行表面羧酸化处理后干燥，将质量比为9：0.5：1的碳纳米管、3-磺丙基十四烷基二甲甜菜碱和聚氧乙烯十二烷基磺酸醚依次加入一个容器的定量的去离子水中，得到50ml浓度为3％wt的碳纳米管悬浮液；同时将质量比为9：3的炭黑和阿拉伯树胶加入另一容器的定量的去离子水中，得到50ml浓度为3％wt的炭黑悬浮液，将两个容器同时放入磁力搅拌器和超声波清洗器(解释：超声波清洗器是超声浸染装置3中具体选用的设备名称，磁力搅拌器在图1的整体装置中没有出现)进行搅拌振荡(搅拌转速为120±10r/min，超声时间为60±5min，温度为40±5℃，频率为120±10khz)；

然后，将分散好的碳纳米管悬浮液和炭黑悬浮液混合后继续振荡，得到100ml浓度为3％wt且分散均匀的碳纳米管\炭黑混合悬浮液。

步骤3)对复合材料进行沉积，

将碳纳米管\炭黑混合悬浮液放置在超声浸染装置3的储液罐中，利用超声浸染装置3对涤纶纱线基材进行浸染，使碳纳米管\炭黑混合悬浮液渗入纱线内部，并均匀包裹在纱线表面，得到发热丝，

浸染条件为：超声振荡的浸染时间为3±0.1min，温度为40±5℃，频率为120±10khz，强度为40％；

步骤4)发热丝的固化烘干成型，

深度浸染后，将浸染处理后的发热丝送入烘干固化成型装置4的干燥炉中，保证其固化成型，

固化烘干条件是：温度为120±5℃，时间为3±0.1分钟；

步骤5)进行柔性处理，

将固化烘干成型的发热丝送入柔性化处理装置5的柔性化处理溶液中进行表面覆膜，通过收集装置6对成型的柔性发热丝进行收集，

柔性化处理条件为：溶液温度为80±5℃；

柔性化处理溶液的组成是：将质量比为1：1的水性聚氨酯和丁腈橡胶在温度80±5℃下混合置入去离子水中；

利用表面附着增塑剂的方法提高发热丝的柔性及耐磨、耐洗涤性，烘干成型，最终得到非金属高导热的柔性发热丝。

本发明方法采用性能优异的碳纳米管及炭黑作为导热主要材料，除了制备新型表面修饰剂外，利用纳米填充物联合改性法突破基体与纳米粒子均匀复合的缺陷，同时将碳纳米管及炭黑优异的热学性能与涤纶复合纱线良好的机械性能有机结合，使其耗能低、通电后具有高效率的发热效能。这种方法相比于传统发热丝不仅具有较好的柔性、强度、弹性，同时具有较好的穿戴安全性，便于制成织物户外携带；相比于复合发热材料，超声振动方式易于复合材料均匀涂覆，填充材料可得到很好的分散，热转换率高，同时降低了复合材料成本，提高了复合材料的综合性能。

本发明的优越性概括为以下几点：

1)采用界面处理法提高了涤纶纱线的复合牢度，更易印染。

2)采用添加增塑剂的后处理工艺，增加发热纱线的柔性和可洗涤性，此方法使涂覆的碳纳米管可弯曲、洗涤，不易结块、脱落。

3)本发明制备的非金属柔性发热丝，电热转换率高，环保节能，低成本，携带使用便捷，为今后制作户外发热品、医疗发热器件提供了良好的基础。