专利名称：一种含碳纳米管的导电复合纤维及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种导电复合纤维及其制备方法，特别涉及一种含有碳纳米管和导电炭黑两种不同导电粒子的聚合物基导电复合纤维及其制备方法。
背景技术：
纺织品在生产加工和使用中会因为摩擦和感应产生静电，常规合成纤维的体积电阻通常在1010Ωcm以上，容易造成电荷的积聚，妨碍生产的顺利进行，对人体健康造成不良影响。高压静电放电可产生电击，引起电子元件损坏，炸药和电火工品的意外爆炸。鉴于静电的危害日益突出，各国研究机构和学术对于静电安全技术都给予了高度的重视，许多发达国家甚至对特殊场合工作服的抗静电性能进行了规定。
导电纤维有几种常见的制备方法。1.在纤维表面涂覆表面活性剂类抗静电剂，中国专利87104346(公开号)公开了通过浸渍，将铜离子沉淀在聚丙烯腈纤维表面，形成导电皮层的方法；中国专利1467337(公开号)公开了将导电浆料喷涂到动物、化纤、涤棉或纯棉等成品的纤维布或坯布的底材纤维布上，导电浆料配方由粘合剂、涂料色浆、阻燃剂、柔软剂、远红外线填料和导电微粉6种组分组成的制备方法。这种方法操作简单，但在摩擦和反复洗涤后皮层导电物质易剥落，纤维、织物的耐洗性差；2.在形成纤维的基体聚合物中加入表面活性剂类抗静电剂或高分子永久型抗静电剂，再纺丝。中国专利1450210(公开号)公开了将有机磺酸掺杂的可溶性聚苯胺与聚丙烯腈混合溶解，采用湿法纺丝技术制得导电纤维。这种方法对于外界的温度和湿度条件有较高的要求，在温度和湿度较低的环境中纤维的导电性能受到损失；3.将不锈钢等金属制成短纤维，与普通合成纤维混纺织造，用作防静电服装和地毯面料，其特点是导电性能好，缺点是抱合力小，可纺性差，织物手感不佳。4.直接纺丝法，用聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等导电性高分子材料直接进行纺丝。但是导电聚合物的加工条件极其苛刻，目前尚难应用于纺织品；5.是利用炭黑、金属或金属氧化物与基体聚合物形成导电复合纤维。制造方法有添加导电微粉、无电电镀和配成涂饰剂。导电复合纤维法性能稳定，效果优异，耐久性强，不受气候条件的限制，是最有发展途的方法。
目前常用的方法是用炭黑和高分子材料共混，制得导电性聚合物混合料。然后以此混合料与常规成纤聚合物复合纺丝，形成导电复合纤维。从国内外应用经验来看，被覆型和复合型有机导电纤维最适合于制造永久性的抗静电纺织品。
美国专利2803453说明书中公开了以含15％～50％导电炭黑的导电性聚合物混合料为芯材的皮芯型导电复合纤维；中国专利1375019(公开号)公开了皮芯复合结构导电纤维，皮层由含15％～40％导电性炭黑的成纤高聚物构成，芯层为PET；中国专利1295141(公开号)公开了由导电性聚合物层和保护聚合物形成构成的导电复合纤维及其制备方法，导电聚合物层由含15％～50％的导电性炭黑的热塑性聚酰胺构成，保护聚合物层成分是热塑性聚酰胺。由上述公开的专利可以看到，目前常见的炭黑型导电复合纤维，其导电性聚合物层通常都含有大量的导电炭黑(重量比＞15％)，以形成导电网络。这势必会破坏高聚物的流变性能，使混合料的可纺性能及力学性能变差。需要寻求新的导电填充粒子，在保持导电复合纤维电学性能的基础上减少导电填充粒子的用量，提高纤维的力学性能。
碳纳米管(CNTs)是一种新生的碳素材料，随着其独特的结构和优越的性能逐渐被人们所认识，以及批量制备碳纳米管的实现，碳纳米管的实际应用成为新的研究重点。由于碳纳米管的纳米级尺寸和一维结构，具有极大的比表面积和优异的电磁性能，在导电复合纤维的研究中具有很大的研究价值和应用前景。
碳纳米管/聚合物复合材料体系的导电性能的提高是直接接触传导和隧道效应传导两种机理共同作用的结果，在添加量大于临界填充体积时，碳纳米管在基体中形成的导电网络是导电性提高的主要原因；当添加量小于临界填充体积时，由于碳纳米管尖端电荷的高度集中使得介质被电极化而导电，而且碳纳米管尖端的电子在非常低的外场下就可发射电子，有可能会击穿介质而导电；当碳纳米管尖端非常靠近时，还可能由于隧道效应产生漏电流而导电。因此很小的碳纳米管用量(0.5％～1％)，就可以在高聚物层中形成导电网络，使导电纤维具有良好的导电性能。我们通过碳纳米管和导电炭黑的混合使用，使两种导电机理共同作用，既能保持导电复合纤维的导电性能，又可以大量减少导电炭黑的用量，保持高聚物的成纤性能和力学性能。
碳纳米管作为高聚物基复合材料的填料，具有许多特点，如(1)碳纳米管在聚合物中的有效分散及取向；(2)碳纳米管与聚合物的相行为；(3)碳纳米管与聚合物分子的相互作用；(4)碳纳米管加入对聚合物结构性能的影响等。另外，碳纳米管具有一定的化学惰性，所以碳纳米管在高聚物基中的分散是碳纳米管/高聚物纳米复合材料制备的关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种含碳纳米管的导电复合纤维及其制备方法，以弥补现有技术的不足或缺陷，满足生产的需要。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案之一是一种含碳纳米管的导电复合纤维，由芯层和皮层构成，其中芯层为导电芯材2，皮层为成纤聚合物1；所述的导电芯材2的重量百分比含量包括热塑性高聚物60～99.5％碳纳米管0～5％导电炭黑0～15％分散剂 0.5～20％所述的热塑性高聚物为聚丙烯、聚乙烯、聚酯或聚丙烯腈的一种或其混合物；所述的碳纳米管为平均直径10-100nm，长径比100-400的单壁或多壁碳纳米管中的一种或其混合物；所述的导电炭黑是颗粒直径为10～150nm，吸油量为100～1000的导电炭黑；所述的分散剂为有机硅树脂、阿拉伯胶、聚对苯二甲酸酯的一种或其混合物。
作为优选的技术方案所述的成纤聚合物是聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺中的一种或几种；所述的复合纤维截面为偏心皮芯型；皮芯复合比为1∶10～1∶1，体积比。
本发明所采用的技术方案之二是所述的导电复合纤维的制备方法，包括如下步骤a.将热塑性高聚物和碳纳米管、导电炭黑分别进行干燥，将热塑性高聚物、碳纳米管、导电炭黑和分散剂加入到高速混合机中，在温度160℃～180℃下混合均匀；b.将得到的混合物在双螺杆挤出机中，控制转速为40～100r/min，温度为150℃～200℃挤出造粒，得到导电芯材母粒；c.将步骤b得到的导电芯材母粒与所述的成纤聚合物通过复合纺丝工艺制备所述的导电纤维。
本发明的有益效果是碳纳米管具有良好的电学性能，碳纳米管与导电炭黑的配合使用，极大地降低了导电炭黑的用量，所得的导电复合纤维除了具有优良的电学性能，可纺性能和力学性能也比目前常见的炭黑添加导电复合纤维有一定的改善。经过处理的碳纳米管在聚合物基体中有效分散，与导电炭黑形成导电网络。通过复合纺丝工艺，导电芯材受到保护，制得的导电复合纤维具有良好的耐久性。
图1本发明导电复合纤维的截面示意图其中，1-成纤聚合物，2-导电芯材具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
实施例1参照附图1，一种含碳纳米管的导电复合纤维，由芯层和皮层构成，其中芯层为导电芯材2，皮层为成纤聚合物1；所述的导电芯材的重量百分比含量包括聚丙烯84％、碳纳米管1％、导电炭黑5％、有机硅树脂15％；碳纳米管为平均直径10nm，长径比400的单壁碳纳米管；导电炭黑是颗粒直径为10nm，吸油量为1000的导电炭黑；皮芯复合比为1∶1，体积比。
其制备方法包括如下步骤a.热塑性高聚物和碳纳米管、导电炭黑分别进行干燥，将聚丙烯、碳纳米管、导电炭黑和有机硅树脂加入到高速混合机中，在温度160℃下混合均匀；b.将得到的混合物在双螺杆挤出机中，控制转速为100r/min，温度为150℃挤出造粒，得到导电芯材母粒；c.将步骤b得到的导电芯材母粒与聚丙烯通过复合纺丝工艺制备所述的导电纤维。
将导电芯材母粒与聚丙烯切片真空干燥。在复合纺丝装置上进行复合纺丝，经过拉伸，定型得到偏心皮芯型导电复合纤维，此导电复合纤维的体积电阻为2.1374×106Ω·cm。
实施例2参照附图1，一种含碳纳米管的导电复合纤维，由芯层和皮层构成，其中芯层为导电芯材，皮层为成纤聚合物；所述的导电芯材的重量百分比含量包括聚乙烯99.5％、碳纳米管5％、导电炭黑15％、阿拉伯胶0.5％；碳纳米管为平均直径100nm，长径比100的多壁碳纳米管；导电炭黑是颗粒直径为150nm，吸油量为100的导电炭黑；皮芯复合比为1∶5，体积比。
其制备方法包括如下步骤a.将热塑性高聚物和碳纳米管、导电炭黑分别进行干燥，将聚乙烯、碳纳米管、导电炭黑和阿拉伯胶加入到高速混合机中，在温度180℃下混合均匀；b.将得到的混合物在双螺杆挤出机中，控制转速为40r/min，温度为200℃挤出造粒，得到导电芯材母粒；
c.将步骤b得到的导电芯材母粒与聚酯通过复合纺丝工艺制备所述的导电纤维。
将导电芯材母粒与聚酯切片真空干燥。在复合纺丝装置上进行复合纺丝，经过拉伸，定型得到偏心皮芯型导电复合纤维，此导电复合纤维的体积电阻为7.3725×107Ω·cm。
实施例3参照附图1，一种含碳纳米管的导电复合纤维，由芯层和皮层构成，其中芯层为导电芯材，皮层为成纤聚合物；所述的导电芯材的重量百分比含量包括聚丙烯腈60％、碳纳米管2.5％、导电炭黑5％、聚对苯二甲酸酯20％；碳纳米管为平均直径50nm，长径比200的多壁碳纳米管；导电炭黑是颗粒直径为100nm，吸油量为500的导电炭黑；皮芯复合比为1∶10，体积比。
其制备方法包括如下步骤a.将热塑性高聚物和碳纳米管、导电炭黑分别进行干燥，将聚乙烯、碳纳米管、导电炭黑和阿拉伯胶加入到高速混合机中，在温度170℃下混合均匀；b.将得到的混合物在双螺杆挤出机中，控制转速为60r/min，温度为180℃挤出造粒，得到导电芯材母粒；c.将步骤b得到的导电芯材母粒与聚酰胺通过复合纺丝工艺制备所述的导电纤维。
将导电芯材母粒与聚酰胺切片真空干燥。在复合纺丝装置上进行复合纺丝，经过拉伸，定型得到偏心皮芯型导电复合纤维，此导电复合纤维的体积电阻为1.9899×102Ω·cm。
权利要求
1.一种含碳纳米管的导电复合纤维，其特征在于由芯层和皮层构成，其中芯层为导电芯材(2)，皮层为成纤聚合物(1)；所述的导电芯材(2)的重量百分比含量包括热塑性高聚物 60～99.5％碳纳米管 0～5％导电炭黑 0～15％分散剂 0.5～20％所述的热塑性高聚物为聚丙烯、聚乙烯、聚酯或聚丙烯腈的一种或其混合物；所述的碳纳米管为平均直径10-100nm，长径比100-400的单壁或多壁碳纳米管中的一种或其混合物；所述的导电炭黑是颗粒直径为10～150nm，吸油量为100～1000的导电炭黑；所述的分散剂为有机硅树脂、阿拉伯胶、聚对苯二甲酸酯的一种或其混合物。
2.根据权利要求1所述的导电复合纤维，其特征在于所述的成纤聚合物(1)是聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的导电复合纤维，其特征在于所述的复合纤维截面为偏心皮芯型。
4.根据权利要求1或2所述的导电复合纤维，其特征在于皮芯复合比为1∶10～1∶1，体积比。
5.一种如权利1所述的导电复合纤维的制备方法，其特征在于包括如下步骤a.将热塑性高聚物和碳纳米管、导电炭黑分别进行干燥，将热塑性高聚物、碳纳米管、导电炭黑和分散剂加入到高速混合机中，在温度160℃～180℃下混合均匀；b.将得到的混合物在双螺杆挤出机中，控制转速为40～100r/min，温度为150℃～200℃挤出造粒，得到导电芯材母粒；c.将步骤b得到的导电芯材母粒与所述的成纤聚合物通过复合纺丝工艺制备所述的导电纤维。
全文摘要
本发明公开了一种含碳纳米管的导电复合纤维，由芯层和皮层构成，其中芯层为导电芯材，皮层为成纤聚合物；所述的导电芯材的重量百分比含量包括热塑性高聚物60～99.5％、碳纳米管0～5％、导电炭黑0～15％、分散剂0.5～20％；其制备方法包括如下步骤将上述组分加入高速混合机混合均匀；将得到的混合物在双螺杆挤出机中挤出造粒，得到导电芯材母粒；将导电芯材母粒与所述的成纤聚合物通过复合纺丝工艺制备所述的导电纤维。降低了导电炭黑的用量，所得的导电复合纤维具有优良的电学性能，可纺性能和力学性能、耐久性。
文档编号C08K3/00GK1840750SQ20061002379
公开日2006年10月4日 申请日期2006年2月9日 优先权日2006年2月9日
发明者洪炳墩, 王彪, 王华平 申请人:东华大学