（纺织材料与纺织品设计专业论文）纳米ATO整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究中文提要 纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究 中文提要 涤纶织物以其优良的服用性能深受人们喜爱，广泛应用于服装、装饰等纺织领域， 但涤纶的表面比电阻值高达1 0 1 4 q ，静电现象严重。本论文选用纳米导电粉体锑掺杂 二氧化锡( a t o ) 对涤纶织物进行整理，以提高织物的抗静电性能。 论文首先研究分散剂种类、用量及溶液p h 值对纳米a t o 粉体分散性能的影响， 以沉降试验法考察分散液的稳定性，以激光粒度分析仪和t e m 测试表征其分散效果。 结果表明：p h 值为8 - 9 所制得的分散液稳定性优于p h 值为6 7 ，n d z 一3l1 w 的分散 效果优于其他分散剂，分散效果随分散剂用量的增加先增加后减小，其最佳用量为 2 ( 相对于粉体质量) 。 论文采用正交试验法研究了纳米a t o 粉体对涤纶织物的抗静电整理工艺，结果显 示纳米粉体浓度对整理织物的表面比电阻影响特别显著，粘合剂浓度对整理织物的表 面比电阻影响显著，轧液率对整理织物的表面比电阻影响较显著，其最优工艺为纳米 a t o 浓度为1 0 0 9 l ，粘合剂浓度为5 0 9 l ，轧液率为1 2 0 。经上述工艺整理后织物的 表面比电阻值为9 2 8 x 1 0 ，洗涤5 0 次后，表面比电阻值为7 3 x 1 0 1 u q ，耐洗性好；经 纬向断裂强度和断裂伸长率有所下降，弹性折皱回复角变化不大，抗弯长度、静态悬 垂系数和动态悬垂系数都有所增加，透气性有一定程度的下降。 论文在低湿度环境下，将a t o 粉体整理的涤纶织物与表面活性剂型抗静电剂t m 整理的涤纶织物进行抗静电性能的比较。结果显示：t m 整理涤纶织物的抗静电性能 对环境湿度有很大的依赖性，其属于吸湿导电和离子导电抗静电机理；a t o 整理涤纶 织物的抗静电性能不受环境湿度的影响，其抗静电机理为电子导电。同时，采用x p s 分析a t o 整理涤纶表层中的元素组成及价态，其结果也证明t a t o 的导电机理为电子 导电。 。 关键词：纳米a t o 分散涤纶抗静电工艺 作者：胡万丽 指导教师：张幼珠 r e s e a r c ho nf i n i s h i n gp r o c e s sa n da n t i s t a t i cp r o p e r t yo f p e tf a b r i cw i t hn a n o a t o a b s t r a c t r e s e a r c ho n f i n i s h i n gp r o c e s sa n d a n t i s t a t i cp r o p e r t y o fp e tf a b r i c w i t hn a n o a b s t r a c t p e tf a b r i ci sf a v o r e db yp e o p l ef o ri t sg o o dw e a r i n gp r o p e r t i e sa n de x t e n s i v e l y a p p l i e dt o t h ef i e l d so fg a r m e n t ，o r n a m e n te t c h o w e v e r , t h es u r f a c es p e c i f i cr e s i s t a n c e ( s s r ) o fp e tf a b r i ci sa sh i g ha s 10 1 4 q ，w h i c hm a k e sp e tf a b r i ch a ss e r i o u ss t a t i c e l e c t r i c i t ye f f e c t t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oi m p r o v et h ea n t i s t a t i cp r o p e r t yo fp e t f a b r i cb yf i n i s h i n gw i t hc o n d u c t i v en a n o p a r t i c l e sa n t i m o n y d o p e dt i no x i d e ( a t o ) t h ep a p e rs t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fd i s p e r s a n t sc a t e g o r y ，d o s a g ea n dp hv a l u eo f s o l u t i o nt ot h ed i s p e r s i o np r o p e r t yo fn a n o a t o t h es t a b i l i t yo fd i s p e r s e ds o l u t i o nw a s c h a r a c t e r i z e db yu s i n gs e d i m e n t a t i o nv o l u m ee x p e r i m e n t t h ed i s p e r s i o np r o p e r t yo f n a n o a t ow a sc h a r a c t e r i z e db yl a s e rs i z ea n a l y z e ra n dt e m t h er e s u l t ss h o w e dt h a t w h e np hv a l u eo fs o l u t i o nw a s8 - 9 ，t h es t a b i l i t yo fd i s p e r s e ds o l u t i o nw a ss u p e r i o rt op h v a l u e6 - 7 n d z 。311wh a db e t t e rd i s p e r s i o np r o p e r t yt h a no t h e rd i s p e r s a n t s ，a n dt h e d i s p e r s i o np r o p e r t yu p g r a d e df i r s t l y a n dt h e nd e g r a d e da st h ed o s a g eo fd i s p e r s a n t i n c r e a s i n g t h eo p t i m u ma m o u n to fn d z 一311w w a s 2 ，( r e l a t i v et ot h ea m o u n to fa t o ) i nt h ep a p e r ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t sw e r ea d o p t e dt os t u d yt h ea n t i s t a t i cf u n c t i o n a l f i n i s h i n go fp e tf a b r i cw i t hn a n o - a t o t h er e s u l t ss h o w e d 。t h a tt h es u r f a c es p e c i f i c r e s i s t a n c eo ff i n i s h e dp e tf a b r i cw a sh i g h l ys i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e db yn a n o - p o w d e r c o n c e n t r a t i o n ，s i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c e db ya d h e s i v ec o n c e n t r a t i o n ，l e s ss i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c e db yp i c k u p t h eo p t i m a lf i n i s h i n gc o n d i t i o n sw e r en a n o - a t oc o n c e n t r a t i o n 10 0 9 l ，a d h e s i v ec o n c e n t r a t i o n5 0 9 l ，a n dp i c k u p12 0 f i n i s h e da tt h eo p t i m a lf i n i s h i n g c o n d i t i o n s ，t h es s ro fp e tf a b r i c 。w a sa sl o wa s9 2 8x 10 9 q a f t e rb e i n gw a s h e d5 0t i m e s ， t h es s rk e p t7 3x1 0 1 峨，w h i c hs h o w e dg o o dw a s h i n gr e s i s t a n c e t h eb r e a k i n gs t r e n g t h a n dt h eb r e a k i n ge l o n g a t i o nb o t ho fw a r pa n dw e f ts l i g h t l yd e s c e n d e d ，w r i n k l er e c o v e r y a n g l e h a s n t c h a n g e dm u c h ，b e n d i n g r e s i s t a n c el e n g t h ，s t a t i cd r a p ec o e f f i c i e n t a n d d y n a m i cd r a p ec o e f f i c i e n ti m p r o v e d ，a n dp e r m e a b i l i t yd e s c e n d e da l i t t l e 1 i t h ee x p e r i m e n tu s e dn a n o a t op o w d e ra n ds u r f a c t a n tt mt o f i n i s hp e tf a b r i c r e s p e c t i v e l y ，a n dt h e nc o m p a r e dt h e i ra n t i s t a t i cp r o p e r t i e si nl o wh u m i d i t ye n v i r o n m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep e tf a b r i cf i n i s h e db ys u r f a c t a n tt mh a dh i g h e rd e p e n d e n c e o nh u m i d i t ye n v i r o n m e n t i tb e l o n g e dt om o i s t u r ea b s o r p t i o nc o n d u c t i v ea n di o n i c c o n d u c t i v em e c h a n i s m t h ep e tf a b r i cf i n i s h e d b yn a n o a t op o w d e rs h o w e dt h e i n d e p e n d e n c e o nh u m i d i t ye n v i r o n m e n t ，a n di t b e l o n g e d t oe l e c t r o n i cc o n d u c t i v e m e c h a n i s m a tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o ru s e dx p st o a n a l y z et h es u r f a c ee l e m e n t a l c o m p o s i t i o n sa n dc h e m i c a lv a l e n c eo ft h ep e tf a b r i cf i n i s h e db yn a n o - a t op o w d e r i t a l s op r o v e dt h a tt h em e c h a n i s mo fn a n o - a t op o w d e rw a se l e c t r o nc o n d u c t i o n k e y w o r d s ：n a n o a t o d i s p e r s i o n p e tf a b r i c a n t i s t a t i c p r o c e s s i i i w r i t t e nb yh uw a n l i s u p e r v i s e db yz h a n gy o u z h u 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的法律责任。 研究生签名：立 j n 蹲日期：立业壁阻 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国 社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 期： 期： 纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究第1 章序言 第1 章序言 涤纶因其具有良好的强度、耐磨性、挺括性、尺寸稳定性、耐化学试剂等优点， 在服装、装饰、产业三大领域得到了广泛应用。与天然纤维相比，涤纶强度高、布面 质感好、色泽艳丽、价格适宜、易处理加工，深受广大消费者的喜爱。但是，由于涤 纶纤维属于疏水性纤维，分子中缺少亲水性基团，导致其吸湿性很差，易起球，产生 静电，在相对湿度为6 5 ，温度为2 5 时，吸湿率仅为0 4 ，体积电阻系数高达 1 0 1 6 q c m ，在低湿度的环境下更易积聚静电荷，使得涤纶在纺纱、加捻、织造和针织、 染色和整理等每一生产工序中都会有一定的困难，甚至造成品质问题；在穿着时，使 人产生不舒服感，织物易吸附灰尘。因此，研制具有抗静电功能的涤纶织物具有十分 重要的意义。 1 - l 涤纶纤维结构与电学性能 1 1 1 涤纶纤维的结构 。( 一) 涤纶纤维的化学结构【l 】 涤纶纤维的基本结构单元为聚对苯二甲酸7 , - - 酯，其化学结构式为： 式中方括号内为涤纶大分子的基本链节，n 为平均聚合度，约为1 3 0 。涤纶分子量 一般在2 0 0 0 0 左右，分子中含有l 3 的不纯物。涤纶分子是由结构对称的涤纶单 体缩聚而成的，因而涤纶分子也具有对称的化学结构。 ( 二) 涤纶纤维的聚集态结构【2 j 涤纶分子链存在折叠链和伸展链两种构象形式，折叠主要是两个亚甲基的柔性弯 曲所致，两种构象形式均能形成有序排列。折叠链片晶的厚度一般在2 5 , - 、一, 3 0 n m ，而 伸展链结晶厚度在1 0 0 - - 2 0 0 n m 。涤纶分子的晶胞为三斜晶系。由于涤纶是取向诱导 结晶，故常是高取向高结晶的结构。涤纶纤维的微细结构，一般用缨状折叠链片晶理 论来解释，其存在一定的皮芯结构，随加工工艺参数的不同，皮层的厚度不同( 0 1 岫 纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究 第1 章序言 0 5 1 t i n ) ，一般皮层取向稍低，晶粒偏少，且为折叠链片晶；芯层几乎古纤维的绝大 部分，晶粒尺寸较大，无序区和空穴也较大，但分子的取向较高，存在伸展链片晶。 尤其在适当温度张力下高度牵伸，分子可完全伸直形成伸展链原纤状结晶，使涤纶纤 维呈高强、高模的力学特征。 1 ：1 2 涤纶纤维的电学性能 从涤纶分子组成来看，它是由短脂肪烃链( c h 2 链段) 、酯基、苯环、端羟基所 构成。涤纶分子中除存在二个端醇羟基外，并无其它极性基团，因而涤纶纤维亲水性 极差，在标准大气条件下，回潮率仅0 4 ，属疏水性纤维。涤纶的表面十分光滑，但 纤维与纤维或纤维与金属之间的摩擦系数很大( 0 2 6 - - 0 5 8 ) ，在纺织纤维中是属较 高的。涤纶体积比电阻很大，电绝缘性高再加上吸湿小，极易产生静电，影响纺织加 - r _ n n 进行，造成织疵、染斑。所有吸湿性能低、电绝缘性较高的合成纤维都有这样 的缺点。 1 2 静电的产生与危害 纤维材料都是由某种大分子组成的，分子则由原子组成，原子是由带正电的原子 核和带负电的电子所组成，从整个大分子来看是呈中性的。在原子中，外层电子受原 子核引力较小，电子容易流失。在一定的外界条件下，物体间可以发生电子的转移， 接受电子的物体由于电子过剩而显负电，失去电子的物体则显正电，这就是所谓的起 电现象。如果产生的电荷固定在物体上而不流动，则称为静电荷或静电。纤维材料之 间相互摩擦或纤维材料与其他材料进行摩擦，甚至在纤维材料受到拉伸、压缩以及在 干燥的电场中受到感应，都能起电。纤维材料静电的发生，大部分是在接触、摩擦过 程中产生的，所产生的静电一般来说都是有害的。当两种不同的物质发生接触，即使 没有表面摩擦也能产生一定数量的静电荷，关于接触起电比较成熟的理论有双电层理 论和功函数理论；而关于摩擦起电的机理到日前为止尚不完整，主要有三种解释：( 1 ) v o l t a h e l m h o l t z 的接触电位差理论( 2 ) 电解和吸附离子理论( 3 ) 物质转移的非对称 性【3 - 6 1 。 纤维或织物带上静电后，在其周围产生静电场，从而出现力学现象。这些静电力 学作用和物理现象正是产生生产障碍、火灾、爆炸和电击等灾害的根源。研究发现， 纤维带电现象会导致纤维缠绕或堵塞机件、半制品或纱线发毛、断头等现象，影响生 产的顺利进行；纺织品使用中，静电电荷的积聚易产生不适感，并可引起血液p h 值 纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究第l 章序言 上升，血液中钙含量降低、尿中钙含量增加，血糖升高、维生素c 含量下降。穿着普 通服装在绝缘地面行走时，人体静电电位可达到3 0 0 0 v 以上、外衣静电电位可达到 8 0 0 0 v 以上，人体带电电位与电击感程度如表卜l 。较高的静电压可对人体产生电击， 并引起电子元件损坏，静电放电可引起火炸药和电火工品的意外爆炸；静电放电产生 的电磁辐射会对各种电子设备、信息系统造成电磁干扰等。因此，在纺织生产、石油、 化工、精密机械等方面对静电的防护是非常重要的【7 。引。 表1 - 1 人体带电与电击感的关系 人体带电电位千伏电击感程度 l 无感觉 2 手指外侧稍有感觉，产生微弱放电声音 3 手指外侧痛感，内侧轻微痛感 4 手指外侧针刺状痛，内侧痛感范围较广 5 手, b n 前腕电击感，看到放电火花 6指痛剧烈 7 手指全部痛感 8 手指到前腕电击感强烈 1 3 纺织材料的抗静电技术 人类对静电现象的观察有悠久的历史，公元前6 0 0 年左右，古希腊哲学家塔勒斯 ( t h a l e s ) 已发现丝绸、法兰绒等纺织品摩擦琥珀之后有吸引轻小物体的性质。1 8 世纪， 诸多科学家从研究静电现象开始，陆续发现了电磁感应、化学电池和电流的力学、热 学应用。此后约1 5 0 年间，人们逐渐广泛应用电能，但并未重视静电的作用和危害。 直到2 0 世纪中期，随着工业生产的高速发展，合成纤维、塑料、橡胶等电绝缘性高分 子材料的迅速推广，使静电的危害日益突出。自上一世纪4 0 年代前后相继发明p v c 、 p a 6 6 、p a 6 、p a n 、p e t 等合成纤维，并在6 0 年代前后得到广泛应用，合成纤维在 加工和使用中的静电问题促进了纺织材料抗静电技术的发展。 1 3 1 纺织材料抗静电技术的发展 从纺织材料抗静电加工的技术思路来看j 一方面是降低摩擦程度、控制电荷的产 生；另一方面是提高纤维的导电性能，以加快电荷的泄漏。由于在加工和使用中摩擦 纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究 第l 章序言 现象不可避免，故后者成为实际可行的技术思路。从纺织工程的角度来看，可以采用 抗静电纤维、导电纤维与普通合成纤维的混纺、交编、交织或嵌织的方法提高纤维集 合体的导电能力，克服静电干扰。从材料学的角度来看，纺织品抗静电技术的关键在 于低阻、长效、普适的新型导电纤维的研制和应用技术研究【9 】。纺织材料抗静电技术 的发展经历了三个阶段： ( 1 ) 用表面活性剂对纤维或织物进行亲水化处理，提高纤维的吸湿性，从而降低 纺织品的电阻率、加快电荷逸散。如李勇慧等【lo 】采用p e g 对涤纶织物进行整理，从而 提高涤纶的吸湿性及抗静电性能；谢红璐等【l l 】采用两性表面活，n i 齐u b s 1 2 与双生表面 活性剂( a 一磺酸钠盐棕榈酸聚乙二醇双酯) 按不同比例复配后对合成纤维进行处理， 可使静电半衰期降到o 9 s ，有效改善了纤维的抗静电性能；徐进云等【1 2 】自制合成十八 烷基甜菜碱对合成纤维进行处理，可使纤维的比电阻值降低到2 5 x 1 07 q g i l l 。此类方 法的抗静电效果难以长久保存，耐洗涤性能差，且在低湿度环境中不显示抗静电性能。 ( 2 ) 对成纤高聚物进行共混、共聚合、接枝改性引入亲水性极性基因，或在纤维 内部添加抗静电剂，制取抗静电纤维。抗静电纤维的电阻率为1 0 8 1 0 f 2 伽。如张宝 华等【13 】将p e t 与p e t p e g 嵌段共聚物共混纺丝，使得p e g 分散粒子散布于p e t 基体中， 以相分离的形式存在，且分散粒子间相互连接，形成从纤维表面通向内部的水分通道， 促进了纤维中积累电荷的泄露，提高了纤维的吸湿性和抗静电性能；k a m i r y o 等【1 4 】在 聚丙烯纤维中共混聚l - - 醇来改善丙纶纤维的抗静电性能；周向东等i l5 】在聚氨酯p u 膜表面接枝抗静电剂t m ，使得p u 膜的表面电阻值下降nl0 8 q 数量级。由抗静电纤维 制造纺织品、或混用较高比例到普通合成纤维中，可消除加工和使用中的静电困扰， 但仍以高湿环境作为电荷逸散的必要条件。 ( 3 ) 导电纤维的研制和应用研究，包括金属纤维、碳纤维、导电聚合物等导电物 质均一型导电纤维的研究、合成纤维外层涂覆碳黑等导电成分的导电物质包覆型导电 纤维的研究、碳黑或金属化合物与成纤高聚物复合纺丝得到的导电物质复合型导电纤 维的研究。导电纤维的电阻率一般低于1 07 q c n l 。如高广艳、w o n gy w 等【1 6 d 。7 】对碳黑 填充p e t 导电纤维进行了研究。他们以碳黑为导电介质，以p e t 为基体，以共混方法 纺出导电纤维，随碳黑含量的增加，导电性能提高，当碳黑含量达一定量时，纤维电 阻率低于1 07 q c m ；李健等【l8 j 将纳米组装高分子( p e e m ) 作为载体，使碳纳米管( c n t ) 及金属氧化物在其中充分分散，分别制成c n t 母粒和导电剂，再与聚酯切片共混纺丝 制备导电p e t 纤维，测试得出纤维的体积比电阻为1 07 q c m ；吴行等i l9 j 采用c u i 等为导 4 纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究 第l 章序言 电成分与p e t 熔融混纺，制备了海岛型p e t 导电纤维；其纤维的体积比电阻可低于 1 0 5 q c m 。导电纤维的应用使纺织品抗静电效果显著、耐久且不受环境湿度的影响， 并可应用于防静电工作服等特种功能性纺织品。 1 。3 2 纺织材料抗静电整理的方法 纺织材料的抗静电整理可分别在纤维材料聚合、纺丝以及后整理的过程中得以实 现【2 0 2 2 1 。 ( 1 ) 聚合过程中的抗静电整理 合成纤维分子结构规整，结晶度和取向度较高、极性小、缺乏亲水性基团、吸湿 性差是其产生静电的根本原因，可根据其分子结构，在聚合过程中进行有针对性的抗 静电改性，获得满意的抗静电效果。如在涤纶纤维聚合过程中引入适量的甘醇醚类、 二羧酸酰胺类和西佛碱类化合物作为第三单体，在保证聚酯成纤性能的基础上，可提 高涤纶纤维的吸湿性，从而使涤纶具备抗静电功能。崔宝玉等【2 3 】采用阳离子可染聚酯 ( c d p ) 与聚乙二醇共聚的方式纺制涤纶纤维，由于c d p 大分子链中的磺酸基团具有 亲水性，所纺制的纤维比表面电阻可降到1 0 1 0 n - c m 。 ( 2 ) 纺丝过程中的抗静电整理 。 在纺丝原液中加入抗静电剂进行共混纺丝，使纤维具有抗静电效果。可在纺丝原 液中加入抗静电母粒( 如：p r - 8 6 ) 、亲水性嵌段共聚物、复合抗静电剂( 如： p e t - p e g s d b s 硬脂酸盐) 、纳米导电材料( 如：纳米a t o 、氧化锌晶须、碳纳米 管) 等【2 4 乏8 1 ，此法使用较多，在手感、耐洗涤性、物理机械性能等方面均较优越。另 外，使用普通纤维与导电纤维进行复合纺丝也可使纤维具有抗静电性能，如合成纤维 与不锈钢纤维、石墨、金属涂层材料等复合纺丝【2 9 1 。 ( 3 ) 后整理过程中的抗静电整理 在后整理过程中对织物或者纤维的表面进行喷洒、浸渍、浸轧、刮涂抗静电剂 或金属镀层，使之产生抗静电效果。此种方法具有工艺简单、成本较低和所得纤维 或织物体积比电阻较低等特点，但对织物手感、物理机械性能有一定的损伤，其中 浸轧工艺通常用于连续化纺织品后整理工序【3 0 】。如华东理工大学的吴越等【3 1 1 采用浸 渍纳米a t o 整理液的方法对涤纶织物进行抗静电整理，测得织物的表面电阻从未整 理的大于1 0 1 2 q 数量级降低n 4 , 子1 0 1 0 q 数量级；李永海等 3 2 】将制备出的纳米氧化 铝溶胶复配成纳米抗静电整理剂，通过轧一烘一焙工艺，应用于涤纶装饰织物抗静电 整理，结果表明：织物的峰值电压和半衰期分别下降到9 v 和0 4 1 s ，抗静电效果显 纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究 第l 章序言 著；陈雪花等【3 3 】用刮涂纳米级a t o 抗静电剂的方法对涤纶面料进行抗静电功能整 理，实验结果发现：采用二步刮涂法制得的面料表面电阻小于1 0 1 0 q ，具有抗静电性 能；对纤维表面进行化学镀金属可获得导电纤维，具有优良的消除和防静电性能。 目前已有化学镀镍导电纤维的研制和报道，一般先对涤纶短纤维进行碱减量处理、 敏化处理及活化处理后，施镀金属镍即可获得导电涤纶【3 4 】。 1 4a t o 抗静电纳米材料 传统的抗静电整理剂为表面活性剂，通常用其对纤维或织物进行整理，提高纤 维的吸湿性，降低纺织晶电阻率，但其抗静电效果及耐洗涤性能差，持久性差，且 在低湿度环境中不显示抗静电性能；碳黑复合导电纤维的应用使纺织品抗静电效果 显著、耐久且不受环境湿度的影响，但由于碳黑复合导电纤维呈灰黑色，不适合于 浅色纺织品，故其应用范围受到限制：新型的纳米级透明导电粉体锑掺杂二氧化锡 ( a n t i m o n yd o p e dt i no x i d e ，简称a t o ) ，具有优异的导电性和透明性且不受气候和 使用环境的限制，具有广阔的应用前景【3 5 。3 7 】。 1 4 1 纳米材料的定义及特性 3 8 4 0 】 1 4 1 1 纳米材料的定义 纳米( n a n o m e t e r ) 是一长度单位，简写为n l t l 。l n m - - 1 0 - 3 岬= 1 0 - 6 m m - - 1 0 m ， 约为1 0 个原子的直径。1 9 9 2 年国际纳米材料会议对纳米材料作了如下定义：一相任 一维的尺寸达到l o o n m 以下的材料为纳米材料。纳米材料的几何形状既可以是粒径 小于l o o n m 的零维纳米粉末，也可以是径向尺寸小于1 0 0 n m 的一维纳米纤维、二维 纳米膜、三维纳米块体。纳米材料的材质可以是金属也可以是非金属，相结构可以是 单相也可以是多相，原子排列可以是晶态也可以是非晶态。当物质进入纳米级后，其 在催化、光、电、热力学等方面出现多项特异化，这种现象被称为“纳米效应”，也 被称作纳米材料的特性。 1 4 1 2 纳米材料的特性 ( 1 ) 小尺寸效应 小尺寸效应又称体积效应，是指纳米微粒尺寸减小、体积缩小、粒子内的原子数 减小而造成的效应。当颗粒尺寸与光波波长，德布罗意波长以及超导态的相干长度或 透射深度等物理特征尺寸相当或更小，就会引起声、光、电、磁、热、力学等特性呈 现小尺寸效应。小尺寸效应会造成金属失去原有的光泽而呈黑色、半导体电子的自由 6 纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究第l 章序言 程度变小、磁体的磁区变小等现象。 、 ( 2 ) 表面效应 随着纳米微粒的尺寸变小，整体的表面积会变得十分大，位于表面的原子占有相 当大的比例，此时微粒的表面面积、表面能和表面结合能等发生了很大的变化，人们 把由此而引起的种种特异效应统称为表面效应。表面效应会大幅度提高物质的化学活 性、催化特性、吸收特性等，如金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机纳米粒子暴露 在空气中会吸附气体等。同时纳米颗粒的高表面能也使得颗粒间的吸附作用很强，易 团聚、难保存，这也是纳米材料在制备、运输和应用过程中遇到的一个难题。 ( 3 ) 量子尺寸效应 量子尺寸效应是指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准 连续能级变为离散能级的现象，即可看作由连续能级变成不连续能级的现象。量子效 应所带来的最直接的影响就是纳米材料吸收光谱的边界蓝移。 ( 4 ) 宏观量子隧道效应 所谓隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力，当微小粒子在一定情况下能穿 过物体时，就犹如里面有了隧道可以通过的现象。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应 将是未来微电子器件发展的基础，或者说它确立了现有微电子器件进一步微型化的极 限。目前研制的量子共振隧道晶体管就是利用量子效应而制成的新一代器件。 1 4 2a t o 抗静电纳米材料的结构与性能 1 。4 2 1a t o 的结构 a t o 即锑掺杂二氧化锡，刘晓珍等【4 1 】应用x 射线衍射法研究发现，s b 掺杂s n 0 2 为替代型掺杂，经1 0 0 0 。c 灼烧后，s b 5 + 替代s n 4 + 进入晶格。刘建玲等蚓通过水热合成 法制得a t o 纳米导电粉体，并在不同水热温度下用x r d 法对a t o 粉体进行研究，结 果显示：在掺杂了s b 后，掺杂的s b ”成为替位离子占据t s n 4 + 的位置，所以仍保持了 s n 0 2 的正四面体金红石结构，并无其它杂相产生，形成完整的结晶。由透射电镜的 结果可看出，a t o 粉体为球形。 1 4 2 2a t o 抗静电纳米材料的性能 ( 1 ) 良好的导电性 王小兰等 4 3 】测出a t o 粉体的电阻率为o 1 8 q 。c m ；在1 0 0 k g c m 2 压力下，a t o 粉体的电阻率达2 0 q c m ，显示出类似于金属的良好导电性能，因此可用于导电纤维、 橡胶、陶瓷、塑料、防静电涂料用导电填料【4 4 舶】；代替白金或稀有金属作为电极材 纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究第1 章序言 料用在玻璃熔制炉和化工行业【4 7 】；半导体极板贮存容器，太阳能电池材料【4 引，半导 体气敏元件以及湿敏元件等众多领域中；液晶显示( l c d ) 、气体放电显示、电致发 光显示( e l d ) 、扁平式电视显像管、荧光显示和电致彩电显示( e c d ) 等各式显示 器件用三防( 防静电、防眩光、防辐射) 透明导电涂层 4 9 - 5 0 。 ( 2 ) 浅色透明性及良好稳定性 a t o 导电材料浅色透明的特点，既可起装饰作用，又具有较好的光透功能，将 其加入薄膜中可制成一种透明的导电薄膜，可见光透射率可达8 0 以上，红外光的 反射率可达8 0 9 0 ，还可吸收紫外光，且a t o 对基体材料强度影响很小，在航空 航天和电子材料中得到广泛应用【5 1 1 。a t o 抗静电材料耐强酸、强碱和机械磨损、不 受气候和使用环境限制，具有明显优势。 ( 3 ) 粒子纳米化和多功能性 纳米a t o 材料有明显的表面效应、体积效应和量子尺寸效应，因此具有独特 的物理化学性能，它的高电导率使其具有更加广泛的应用领域。纳米a t o 微粒粒 径小，可以制成稳定的涂料或浆料，并可纺入纤维中或整理到织物上；另外，纳米 a t o 粉体还具有良好的减反射、抗辐射、红外吸收等功能，可应用于建筑用低辐射 率玻璃、红外吸收隔热材料等领域中【5 2 1 。 1 4 3a t o 纳米材料的制备方法 国内外对于a t o 纳米材料的制备方法研究较多，目前主要的制备方法有物理 气相沉积法、蒸发技术以及化学气相沉积法，此外，还有属于湿化学方法范畴的 溶胶一凝胶法、共沉淀法和近年来研究得较为热门的水热法等【5 孓5 5 】。 通用的制备纳米a t o 粉体的方法是将s b 2 0 3 粉料直接加入n s n 0 2 微粉中进行 固相掺杂。张东等f 5 6 】用氧化物法直接将分析纯的s n 0 2 微粉矛l s b 2 0 3 混匀，于6 0 0 。c 恒温1 h ，1 0 0 0 恒温3 h ，所得a t 0 粉体的电阻小于2 0 0 f 2 。这种固相掺杂方法简单 方便，但掺杂均匀性差，所得粉体导电能力有限。段学臣等拉7 j 以s n c l 4 矛d s n c l 3 分别 与异丙醇在7 0 回流2 h 后，混合反应得复合溶液，再与n a o h 溶液发生羟基化反应， 所得沉淀经干燥、煅烧制得s n 0 2 s b 2 0 3 复合导电粉体。该方法工艺、设备简单， 制出的粉体具有良好的透明度和导电性，但成本较高。c t ；, b ，j p c o l e m a n d 等1 5 引 用s n c l 4 5 h 2 0 配置溶液，将溶液和相应量( j 勺s b c l 5 及浓盐酸混合，再向s b s n 溶液 中滴7 ) l l n a o h 溶液，控制终点p h 值，过滤、沈涤、干燥和煅烧后制成a t o 超微粉体； 张建荣等【5 9 】采用非均相成核法，在s n ( o h ) 4 晶种上均匀生长s b 掺杂s n ( o h ) 4 ，制备纳 8 纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究 第1 章序言 米a t o 粉体，测试结果表明，粉体电阻小于0 5 q ；谢连革等【6 0 采用化学气相沉积 法( c v d ) 制备了s b 掺杂s n 0 2 薄膜；江名喜等【6 l j 以锡酸钠、锑白和硫酸为原料， 酒石酸氢钠为配合剂，双氧水为氧化剂，采用配合一水热氧化法在水热氧化温度为 2 4 0 和水热保温时间为1 7 h 时，合成单分散性的蓝色锑掺杂二氧化锡( a t o ) 粉末。 1 4 4a t o 抗静电纳米材料在纤维和织物上的应用 将纳米a t o 粉体用于纤维或织物抗静电整理的途径主要有两个：一是在纺丝 原液中添加纳米级a t o 粉体及分散助剂共混纺丝。其关键是无机纳米级a t o 粉体 与纤维材料的相容性；二是将原料，如毛条、涤纶丝或坯布在染色或整理过程中添 加纳米级a t o 水性悬浮液，使染色与功能化一步完成，坯布可采用涂层或浸轧等 方法与a t o 结合【2 2 】。 东华大学的王栋等人【6 2 】采用纳米a t o 粉体为抗静电剂，以聚乙烯亚胺( p e i ) 为分散剂，将纳米a t o 稳定均匀地分散于去离子水中，并将该悬浮液作为聚丙烯腈 纺丝过程的预热浴，来改善p a n 纤维的抗静电性能。当初生纤维通过预热浴时j 由 于纤维内外纳米无机微粒的浓度差和初生p a n 纤维内部大量微孑l 的存在，纳米a t o 微粒能够通过扩散、迁移进入纤维或吸附于纤维表层，当p a n 纤维被拉伸、干燥、 致密化处理时，纳米a t o 能留在纤维中并形成纳米a t o 的导电通道，赋予p a n 纤 维抗静电性。随a t o 用量的增加，纳米a t o 改性p a n 纤维的体积比电阻下降三个 数量级，具有良好的抗静电性能。同时，实验还表明纳米a t o 改性p a n 纤维基本 保持了纤维原有的拉伸强度，经4 0 次洗涤后，纤维的体积比电阻仍维持在 4 。7 3 1 0 娩c m ，耐洗性较好。 涤纶面料吸水性差，极易产生静电，且难以逸散，严重影响它的服用舒适性， 目前改善涤纶织物静电性能的最主要方法是采用有机抗静电剂对面料进行后整理， 但有机抗静电剂存在对环境湿度依赖性大且抗静电效果持久性差等问题。华东理工 大学的吴越等人【3 1 】将加入表面改性剂的a 1 o 粉体制备成水浆，然后配制成整理剂， 将涤纶布浸泡于整理剂中1 0 m i n ，在1 0 0 下烘干，测定织物的表面电阻从未整理的 大于1 0 1 2 q 数量级降低到小于1 0 1 0 q 数量级，这是由于a t o 整理剂涂覆到纤维织物 后，在高温的作用下，纳米a t o 因其小尺寸效应，易于渗入到纤维的表层，从而在 表层富集，起到抗静电效果。洗涤5 0 次后，抗静电效果基本不变。 丁钟复等【6 3 】将不同锑掺杂量的纳米a t o 粉用于涤纶针织物的抗静电整理，研究 表明：粉体的掺杂量是影响抗静电性能主要因素之一，在4 8 锑掺杂量的范围 9 纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究 第1 章序言 内，掺杂量越多，它的抗静电性能越好，但粉体的颜色也随之加深，将影响其在浅 色纺织品上的使用。实验证明：纳米a t o 粉体中，锑的最佳添加比例为6 。 江苏阳光有限公司的赵先丽等畔j 利用a t o 对羊毛织物进行抗静电整理，取得 了较理想的效果。经测试发现其最好的静电压仅有2 1 0 v ；耐久性也很好，经过2 5 次洗涤后，仍能维持良好的抗静电效果。a t o 粉体与羊毛织物的结合是影响耐久 性的最主要因素，赵先丽等人对羊毛进行氯化处理，氯气剥掉部分鳞片，使羊毛 纤维的反应性基团充分暴露出来，增加羊毛与纳米粉体的反应性，并使a t o 颗粒 表面带负电荷，将羊毛纤维p h 值控制在等电点以下，使其带正电荷，通过静电引 力使二者结合，提高抗静电耐久性。 1 5 本课题的研究目的、内容和意义 1 5 1 研究目的 近几年来，我国涤纶工业呈现高速发展势头，年产量己突破2 0 0 0 万吨，连续5 年居世界首位，但每年化纤的进口量仍维持在化纤总量的2 0 以上，其症结在于我 国化纤产业结构不够合理，常规产品生产能力过剩，而功能性纤维的生产能力有限， 无法满足社会需求。在功能性纤维中，抗静电纤维具有良好的发展前景，因此对涤 纶的抗静电研究开发显得十分迫切。抗静电纤维的制备方法有许多种，随着研究的 不断深入，根据制得纤维的最终性能和制备工艺，人们逐步淘汰了一些落后的制备 方法。按导电成分分类，抗静电纤维可分为抗静电剂型抗静电纤维、金属系抗静电 纤维、碳黑系抗静电纤维、导电高分子型纤维和纳米级金属氧化物型抗静电纤维等。 其中，抗静电剂型抗静电纤维的使用效果对外界因素( 如温度、相对湿度等) 的依 赖性大，抗静电耐久性较差；金属系抗静电纤维的导电性能好、电阻率低，但纤维 的手感比较差，而且纤维的混纺工艺难于控制；碳黑系抗静电纤维的缺点是产品的 颜色单一，只能是黑色或深灰色，并且碳黑容易脱落，手感不好，在纤维表面不易 均匀分布；导电高分子型纤维的手感很好，但稳定性差，抗静电性能对环境的依赖 性较强，且抗静电性能会随着时间的延长而缓慢衰退；与其它类型的抗静电纤维相 比，纳米级金属氧化物型抗静电纤维具有许多独特的优异性能，如浅色透明，不受 气候和使用环境的限制，稳定性好，纳米级金属氧化物不易从纤维上脱落，分御也 较为均匀，纤维使用范围广泛，几乎可用于任何需防静电的场合等。目前，最有发 展潜力的金属氧化物为纳米级锑掺杂二氧化锡( a t o ) ，各国在使用纳米a t o 导电 粒子制备抗静电纤维方面都做了大量的研究。本课题的研究目的就是使用纳米级 l o 纳米a t o 整理涤纶的工艺及其抗静电性能研究 第l 章序言 a t o 导电粉体作为抗静电材料，通过对涤纶织物进行抗静电整理，提高织物的静电 防护性能。 1 5 2 研究内容 本课题先对纳米a t o 粉体进行分散处理，将分散后的纳米粉体作为抗静电材 料对涤纶织物进行整理，运用浸轧焙烘的方法制得抗静电涤纶织物，测定其各项性 能。主要内容包括： ( 1 ) 采用超声波、机械搅拌及化学改性分散相结合的方法，对纳米a t o 粉体 进行分散处理。分别研究了不同p h 值( p h 值为8 , - - , 9 、6 , - - - 7 ) 、不同分散剂、分 散剂不同用量对a t o 粉体分散效果的影响，本课题通过沉降实验、粒度分析和t e m 透镜分析研究选定了合适的分散条件。 ( 2 ) 采用分散良好的纳米a t o 整理液对涤纶织物进行浸轧焙烘整理。本论文 先采用单因素实验，确定各浸轧条件的范围，然后利用正交实验设计法，将织物的 表面比电阻值作为静电防护性能的评价指标，探讨了纳米材料浓度、粘合剂浓度和 轧液率等因素对涤纶织