专利名称：一种碳纳米管导电纤维及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种导电纤维及其制备方法，特别是涉及一种以碳纳米管或纳米碳纤维为导电组分的导电纤维及其制备方法。
背景技术：
绝大多数的高分子材料是绝缘材料，由高分子材料制成的化学纤维，如涤纶、丙纶、锦纶、腈纶等同样也具有绝缘性。这些化学纤维在使用过程中静电不断积累，而电荷无法释放，最终带有比较高的电势。化学纤维所带的静电会给加油站、油库以及某些特殊场合的安全生产带来严重威胁。化学纤维服装也由于经常带有静电会对人体健康带来不利影响。
解决这类化学纤维静电带来的不利影响，目前主要办法是设法让原本不导电的高分子合成纤维导电，即将一定比例的导电组分加入到纤维中，主要包括以下两种方法一是，将导电组分附于纤维表面，如中国专利“导电纤维及导电布的制配方法”(申请号为92108939.2)公开了将电解铜、纯钨、镍按一定比例配制电解后，对清洗过的纤维及布进行电镀的方法。这种方法在化学纤维织物成形后对其进行抗静电处理，不足之处在于制备的抗静电纺织品耐洗涤性能较差。将超细金属纤维混入纱线或纺织品中对消除化学纤维静电也有明显的效果，但是这类织物手感较差，织造也比较困难。二是，导电粒子添加到聚合物中，经纺丝制备导电纤维。目前常用的导电粒子为导电碳黑、金属氧化物等，但必须加入大量的导电组分(往往超过20％，甚至40％)才能在纤维中形成导电网络，赋予纤维导电性能。大量的碳黑粒子或金属氧化物粒子添加到聚合物中导致导电纤维的制备工艺比较复杂，而且产品中高含量的碳黑破坏了聚合物的纺丝流变性能，使聚合物的成纤性能、力学性能变差。对这种高碳黑含量的导电纤维进行纺丝则需要采用复合纺丝技术。所谓复合纺丝技术是将含有大量碳黑的聚合物作为一个组分，不含有碳黑的聚合物作为另一个组分，制备皮芯型(或桔瓣型)结构，使用双螺杆纺丝机设备进行纺丝，这导致企业设备投入增加，工艺参数增多，对产品质量的控制难度增大。
碳纳米管是九十年代开发出来的新型材料，得到国内外的普遍关注，制备方法多种，目前国内外均有规模化生产，但其在工业上的应用开发刚起步。碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管单壁碳纳米管单管直径在1nm左右，长径比为50～2000；多壁碳纳米管视壁的多少有所不同，直径普遍小于100nm，有较大的长径比。同时，纳米碳纤维也有相似的特性。由于碳纳米管的直径比导电粒子的直径还小，且长径比较大，非常小的添加量(0.1％～2％)就能在聚合物中形成导电通道，经纺丝成形后得到导电纤维，而不需要复合纺丝技术。由于纳米材料的各种效应，使得碳纳米管非常容易聚集，因此分散问题是制备碳纳米管复合导电纤维的关键。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题在于提供一种碳纳米管导电纤维及其制备方法，以解决现有技术中存在的导电效果差、不易纺丝、耐洗涤性能差、工艺复杂、手感较差等缺点。
本发明的目的之一是提供一种碳纳米管导电纤维，该碳纳米管导电纤维由碳纳米管、分散剂和热塑性聚合物组成，其质量百分比组成为碳纳米管 0.1～5分散剂0.1～5热塑性聚合物 100且碳纳米管和分散剂之和与聚合物的质量比小于5.1∶100。
所述的碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和纳米碳纤维中的一种或一种以上。
所述的分散剂为烷基苯磺酸盐CH3(CH2)nC6H4SO3X，或烷基硫酸酸盐CH3(CH2)nSO4X中的一种或一种以上，其中n＝0～15，X＝Li，Na，Mg，Ca，NH4。
所述的热塑性聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈或纤维素中的一种或一种以上。
所述的导电纤维制备方法包括如下步骤a将碳纳米管和分散剂加入到装有水的容器中，震荡分散，去除沉淀部分，制备出碳纳米管水溶液。
b将碳纳米管水溶液与热塑性聚合物混匀，干燥，制备出碳纳米管/聚合物复合粉体。
c将碳纳米管/聚合物复合粉体经纺丝技术进行纺丝、拉伸制备导电纤维。
导电纤维制备步骤a中所述的碳纳米管和分散剂加入到水中不分先后；分散剂和碳纳米管的质量占该水溶液的0.1～5％；分散剂和碳纳米管的质量比为0.1～10∶1。
导电纤维制备步骤b中所述的碳纳米管水溶液与聚合物机械混合，包括将聚合物加入到碳纳米管水溶液中混合，以及将碳纳米管水溶液喷附在聚合物表面。
导电纤维制备步骤c中所述的纺丝技术为熔融纺丝技术、湿法纺丝技术或干湿法纺丝技术中的一种或一种以上。
本发明的有益效果是所述导电纤维及其制备方法工艺简单、生产效率高，制备的纤维导电效果好。本发明采用了碳纳米材料为导电组分，它还是很好的增强材料，对纤维的力学性能起到正面的影响，具有更高的技术含量。所述导电纤维能够用单螺杆纺丝机进行纺丝，降低了企业纺丝设备的投入，简化了导电纤维的生产工艺。
本发明提供的导电纤维能够在服装、装饰布、传输带等领域用作抗静电材料和电磁屏蔽材料。
具体实施例方式
以下结合实施例对本发明作详细说明。
实施例1将0.2克单壁碳纳米管加入到100克水中，机械混合均匀，再将1克十二烷基硫酸锂加入到以上溶液中，超声波震荡分散，离心机离心，去除沉淀部分，得到碳纳米管分散均匀的水溶液。
将聚丙烯粉末倒入制备的碳纳米管水溶液中，机械搅拌均匀，升温将水分挥发掉，得到聚丙烯表面附着有碳纳米管的复合粉末。经螺杆挤出机造粒得到可用于纺丝的切片。采用熔融纺丝方法得到碳纳米管/聚丙烯复合导电纤维。其中碳纳米管在纤维中的质量含量为1％，电导率为5×10-5S/cm。
实施例2-8所示的碳纳米管水溶液及其制备方法与实施例1相同，其它条件见表1。其中加入方法(Disp+H2O)+CNT代表先将分散剂加入到水中，溶解后，再将导电组分加入到以上溶液中，其它相同。
表1 实施例2-8
其中将聚丙烯腈粉末倒入实施例2制备的碳纳米管水溶液中，机械搅拌均匀，升温将水分挥发掉，得到聚丙烯腈表面附着有碳纳米管的复合粉末。将复合粉末溶解在聚丙烯腈的溶剂中(如二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或硫氢酸钠水溶液)中，制备纺丝浆液，采用湿法纺丝技术纺制得到碳纳米管/聚丙烯腈复合导电纤维。其中碳纳米管在纤维中的质量含量为0.5％，电导率为8×10-6S/cm。
将聚乙烯醇粉末倒入实施例2制备的碳纳米管水溶液中，机械搅拌均匀，将聚乙烯醇溶解中碳纳米管水溶液中，得到纺丝浆液，采用湿法纺丝技术纺制得到碳纳米管/聚丙烯腈复合导电纤维。其中碳纳米管在纤维中的质量含量为3％，电导率为2×10-2S/cm。
实施例3制备的碳纳米管水溶液用喷雾器均匀喷洒在聚酰胺66粉末表面，之后升温将水分挥发掉，得到聚酰胺66表面附着有碳纳米管的复合粉末。经螺杆挤出机造粒得到可用于纺丝的切片。采用熔融纺丝方法得到碳纳米管/聚丙烯复合导电纤维。其中碳纳米管在纤维中的质量含量为0.1％，电导率为3×10-7S/cm。
将聚酯粉末倒入实施例6制备的碳纳米管水溶液中，机械搅拌均匀，升温将水分挥发掉，得到聚酯表面附着有碳纳米管的复合粉末。经螺杆挤出机造粒得到可用于纺丝的切片。采用熔融纺丝方法得到碳纳米管/聚酯复合导电纤维。其中碳纳米管在纤维中的质量含量为3％，电导率为2×10-3S/cm。
将聚乙烯醇先溶解在水中，再将实施例8制备的纳米碳纤维水溶液滴加倒聚乙烯醇的水溶液中，机械搅拌均匀得到纺丝浆液，采用湿法纺丝技术纺制得到纳米碳纤维/聚乙烯醇复合导电纤维。其中纳米碳纤维在纤维中的质量含量为4％，电导率为5×10-3S/cm。
权利要求
1.一种碳纳米管导电纤维，其特征在于该碳纳米管导电纤维由碳纳米管、分散剂和热塑性聚合物组成，其质量比为碳纳米管0.1～5分散剂 0.1～5热塑性聚合物100；且碳纳米管和分散剂之和与聚合物的质量比小于5.1∶100。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管导电纤维，其特征在于所述的碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或纳米碳纤维中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管导电纤维，其特征在于所述的分散剂为烷基苯磺酸盐CH3(CH2)nC6H4SO3X或烷基硫酸盐CH3(CH2)nSO4X中的一种或一种以上，其中n＝0～15，X＝Li，Na，Mg，Ca，NH4。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管导电纤维，其特征在于所述的热塑性聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈或纤维素中的一种或一种以上。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的碳纳米管导电纤维的制备方法，其特征在于该方法依次包括如下步骤a将碳纳米管和分散剂加入到装有水的容器中，震荡分散，去除沉淀部分，制备出碳纳米管水溶液。b将碳纳米管水溶液与热塑性聚合物混匀，干燥，制备出碳纳米管/聚合物复合粉体。c将碳纳米管/聚合物复合粉体经纺丝技术进行纺丝、拉伸制备导电纤维。
6.根据权利要求5所述的碳纳米管导电纤维的制备方法，其特征在于步骤a中所述的碳纳米管和分散剂加入到水中不分先后；分散剂和碳纳米管的在该水溶液中的质量百分比为0.1～5％；分散剂和碳纳米管的质量比为0.1～10∶1。
7.根据权利要求5所述的碳纳米管导电纤维的制备方法，其特征在于所述的碳纳米管水溶液与聚合物混合，包括将聚合物粉体加入到碳纳米管水溶液中混合，或将碳纳米管水溶液喷附在聚合物表面。
8.根据权利要求5所述的碳纳米管导电纤维的制备方法，其特征在于所述的纺丝技术为熔融纺丝技术、湿法纺丝技术或干湿法纺丝技术中的一种或一种以上。
全文摘要
本发明提供了一种碳纳米管导电纤维及其制备方法，其中导电纤维由碳纳米管、分散剂和热塑性聚合物组成，其质量比为碳纳米管0.1～5、分散剂0.1～5、热塑性聚合物100；且碳纳米管和分散剂之和与聚合物的质量比小于5.1∶100。该导电纤维的制备方法是首先在分散剂的作用下将碳纳米管分散于水中，然后将碳纳米管水溶液与热塑性聚合物混合、干燥、造粒，最后将纺丝制成所述的导电纤维。本发明公开的导电纤维导电组分含量低、导电效果好，降低了企业设备投入，简化了导电纤维的生产工艺。本发明提供的导电纤维能够在服装、装饰布、传输带等领域用作抗静电材料。
文档编号C08K7/06GK1569939SQ200410017918
公开日2005年1月26日 申请日期2004年4月26日 优先权日2004年4月26日
发明者张清华, 陈大俊 申请人:东华大学