PETCNT共混纤维抗静电能的研究.doc

PET/CNTs共混纤维抗静电性能的研究闫承花（太原理工大学轻纺工程与美术学院 ，山西 晋中030600 ）摘 要：本文通过采用碳纳米管、PET切片混合制成抗静电母粒, 再将母粒与PET 切片共混纺丝制得PET/CNTs共混纤维。用纤维比电阻仪、摩擦式织物静电测试仪测量不同碳纳米管含量的共混纤维及其织物的抗静电性能。研究结果表明，添加少量的CNTs能明显改善聚酯纤维和织物的抗静电性能。共混纤维的抗静电性能随着CNTs添加量的增加而提高。关键词: PET; 碳纳米管（CNTs）；多壁碳纳米管（MWNTs）；共混纤维；抗静电1 引言PET纤维，学名聚酯纤维，我国商品名为涤纶。其性能优良, 广泛应用于服装、装饰、产业三大领域。但其吸湿性差, 公定回潮率只有 0.4 %，易积聚静电荷, 经摩擦易产生静电，给加工和使用带来诸多不便。因此改善涤纶抗静电性能一直是热门课题。碳纳米管 (CNTs) 具有优良的电性能和电磁性能1，CNTs是电导体或半导体。它作为共混材料的添加剂，能显著地提高聚合物的抗静电能力。目前碳纳米管的批量制备已经实现，碳纳米管的实际应用已成为新的研究重点。如：纯铁/碳纳米管、 纯铝/ 碳纳米管、 尼龙 6/碳纳米管2等共混材料的研究已经取得一定成果。如在 PMMA 中掺入重量分数为5%的CNTs，可使 PMMA 的体积电阻率降低 3个数量级,表面电阻率降低 4个数量级3。利用碳纳米管的导电性制备抗静电聚酯纤维4也受到关注。本课题先用碳纳米管与PET切片混合制得抗静电母粒, 然后母粒再与PET切片共混纺丝制PET/ CNTs共混纤维。用纤维比电阻仪和摩擦式织物静电测试仪进行了静电性能测试。实验表明PET/CNTs共混纤维具有良好的抗静电性能。2 PET/CNTs共混纤维的制备2.1碳管抗静电母粒的制备2.1.1 原料简介CNTs： 碳纳米管，深圳纳米有限公司产,长度1 2 um，管径10 20 nm ,纯度大于95% 。CNTs是由单层或多层石墨片卷曲而成的纳米管体。CNTs分多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs)。我们选用了多壁碳纳米管（MWNTs），简称碳管。PET: 半消光PET切片，中国石油化工股份有限公司天津分公司生产，熔点254.9，水分含量0.02；2.1.2工艺路线碳纳米管（CNTs）酸处理双螺杆注塑机冷却水槽切粒机碳管母粒聚酯切片（PET） 干 燥由于CNTs的长径比大，极易聚集成束，发生缠绕和团聚现象，在PET基体中不易分散5，所以制备碳管抗静电母粒前，必须先对原料CNTs进行表面处理。本实验采用了稀硝酸做表面处理剂。即：将未处理的CNTs加入到盛有硝酸溶液的三口烧瓶中；常温条件下超声分散，超声频率为20KHz；接着加热到60氧化30分钟。反应液冷却后，进行过滤并反复洗涤；真空抽滤后干燥、研磨和过筛。化学处理后CNTs表面引入羧基、羰基等含氧基团，提高了与PET的相容性。将酸处理后的和干燥处理后的纯PET切片进行混合，加入到CET35双螺杆挤出注塑成型机（科倍隆(南京)机械有限公司生产）中，在各区温度为266-283条件下进行熔融注塑成带条，再用LD-60型切粒机（江苏泰州鑫力塑料橡胶机器有限公司生产）制得抗静电碳管母粒。 2.2 PET/ CNTs共混纺丝2.2.1原 料 ： 碳管母粒、PET切片2.2.2工艺路线碳管母粒 干燥纺丝螺杆熔融纺丝上油牵伸卷绕（PET/ CNTs纤维）PET切片 干燥采用母粒共混纺丝法，将碳管母粒干燥后，通过母粒注射机（学院自制的）加入纺丝螺杆挤压机中，同时将干燥后的纯PET切片也加入纺丝螺杆挤压机中。二者在纺丝机中汇合、熔融和共混后经纺丝组件及喷丝板挤出成型，再冷却、上油、牵伸和卷绕制得PET/ CNTs共混纤维。CNTs与PET经历了制备母粒和纺丝过程的两次共混后，CNTs在PET基体中分散均匀，初步解决了分散性、界面相容性等问题。实验用纺丝设备是无锡兰华纺织机械有限公司生产的LHFT30型纺丝-牵伸FDY机。纺丝工艺参数如表1.表1 纺丝工艺参数样 品参数值PETMWNTs/PET区温度/278278区温度/288292.3区温度/293.3296区温度/295298弯管温度/298298箱体温度/309309热板温度/1401401#热盘/95952#热盘/1151153#热盘/130130徐冷温度/80.380.3螺杆压力/MPa6-73-4熔体温度/294294.7抗静电母粒和纯PET切片按表2所示的三种比例投料共混纺丝，制得三种CNTs 含量不同的PET/CNTs共混纤维。我们试纺过CNTs含量为1.0%的，但可纺性变差，发生毛丝断头太多。表2 共混纺丝时碳管母粒与PET切片的质量比纺制共混纤维样品333333# 母粒 / PET切片(kg)1:242: 234：21纤维中CNTs 含量（ wt%）0.20.40.83 PET/ CNTs共混纤维抗静电性能的测试3.1比电阻测试实验 3.1.1实验仪器与材料共混纤维、纯PET纤维、纯棉纤维YG321型纤维比电阻仪、XD2102T型纺织天平（精密度0.01g）、镊子3.1.2试样准备 本实验选用4种纤维试样，纯PET纤维、PET/碳管共混纤维，依次编号为1#4#。要求样品长度均匀,尽可能将试样扯松成单纤维状态，并且混合均匀，应没有影响试验结果的疵点。3.1.3实验方法用纺织天平称取4份棉纤维，每份重10g, 再称取1#4#纤维各5g,分别与棉纤维充分混合，各组样用手扯松后，置于标准大气压（202、65%2%）条件下平衡48h以上，已备测试使用。用YG321型纤维比电阻仪测试每组试样的比电阻，并记录数据。3.2摩擦式织物静电测试实验3.2.1实验仪器与材料共混纤维、纯PET 纤维手摇式针织机、YG341N型摩擦式织物静电测试仪。3.2.2实验方法在手摇式针织机上将4种纤维分别织成520（）大小的织物并依次做标记。把每种织物剪成4块55（）的织物，用 YG341N型摩擦式织物静电测试仪测量其感应静电压，并记录数据。纯PET 纤维即CNTs含量为0%。4 结果与分析4.1实验结果4.1.1 纤维比电阻测试不同添加量的PET/CNTs 纤维比电阻测试实验结果见表3。4.1.2 摩擦式织物静电测试实验不同比例共混的PET/CNTs纤维织物摩擦静电测试实验结果见表4。表3 纤维比电阻测试结果编号抗静电母粒在纤维中的含量（%）CNTs含量（ wt% ）导体的电阻R（M）质量比电阻（ g/cm）1#003.613.52#40.22.493#80.42.28.254#160.81.86.75表4 织物摩擦静电测试结果 CNTs含量0%0.20%0.40%0.80%摩擦静电压/V158012151075873衰减静电压/V957729653591 4.2结果分析4.2.1 PET/CNTs 共混纤维的抗静电性能随着CNTs含量的增大而提高。实验一用纤维的比电阻来表征其抗静电性能。电阻越小，纤维的抗静电性能越好。由表2可知，在PET中添加少量CNTs就能降低纤维的比电阻。实验二用共混纤维织成织物。用织物摩擦后的感应静电压来表征纤维的抗静电性能。摩擦后感应静电压越小，纤维织物的抗静电性能越好。表3中测试数据表明，随着CNTs含量的增加，织物的感应静电压下降。即PET/CNTs共混纤维织物的抗静电性能随着CNTs含量的增大而提高。 4.2.2 PET/CNTs共混纤维抗静电性与添加剂CNTs的结构有关。SWNTs是由单层的碳原子绕合而成，结构具有较好的对称性和单一性；MWNTS是由许多柱状碳管同轴套构而成。CNTs独特的结构和几何特点决定了其在电子学上的独特性。有研究表明，不同类型的CNTs，由于其直径和螺旋度的不同，导电性能也不相同。SWNTs总是金属性的；MWNTS部分为半导体性，部分为金属性。CNTs在电子学领域已用于集成电路、超导线材和电池电极6等。因此，选择添加剂CNTs时，应选导电性好的。CNTs本身导电性越好，在纤维和织物中疏导静电荷的作用就越大，共混纤维的抗静电效果就会更好。SWNTs的导电性最好，但我们考虑到酸处理会破坏它的单壁结构，从而降低实际导电抗静电效果，所以选用了成本较低的MWNTs，它的外壁在酸处理中受到破坏但内部多层壁不易破坏，能起到抗静电的效用。4.2.3 CNTs的分散性制约着共混纤维抗静电性的提高。在本实验条件下，制得的PET/CNTs共混纤维CNTs最高为0.8%。达到1.0%时就出现堵孔断丝。我认为是CNTs数量增加凝聚粒子增大所致。若进一步提高CNTs在共混体系中的分散性, 进一步改进纺丝工艺，增加CNTs 的比例，使CNTs在纤维中构成导电通道,将能显著改善纤维的抗静电性能。5 结语 通过自制PET/CNTs共混纤维，并对其纤维抗静电性能的反复测试，对聚酯纤维中添加CNTs可改善纤维的抗静电性能做了初步的研究。PET/CNTs共混纤维的抗静电性能随着CNTs添加量的增加而增强；但综合考虑表面性能、热性能、流变性及可纺性 ,CNTs添加量不宜过多。且CNTs含量的提高受到多因素的制约，有待进一步研究探讨。参考文献1龙威, 顾媛娟.碳纳米管的力学性能及聚合物/碳纳米管复合材料J.材料导报, 2002,16(12):52- 57.2贾志杰, 王正元等. 清华大学学报( 自然科学版),2000, 40( 4) .3贾志杰,王正元,徐才录.碳纳米管的加入对PMMA 强度和导电性能的影响 J .材料开发与应用, 1998, 13( 5) : 224荣根, 黄志超, 程贞娟.添加碳纳米管聚酯母粒的制备及性能.纺织学报.第 26 卷 第3期2005 年 6月.龚5晓钟 ,汤皎宁 ,古坤明 ,杨钦鹏. 碳纳米管分散性的研究.广东化工.2005年第4期8-96张文毓.碳纳米管及其应用J.云南大学学报(自然科学版),2005, 27(3A):151-154.英文摘要和关键词A Study on the Antistatic Properties of PET/CNT FiberAbstracts: Carbon Nanotubes( CNTs) were added to PET slice by blending to be antistatic masterbatch . PET/CNT fiber was made of antistatic masterbatch and PET slice by blended spinning. The influence of the antistatic property of the fiber with different proportion of CNT was studied by the Fiber resistance instrument and the Friction type fabric static tester. The antistatic property of the fiber was compared with pure polyester. Results show that a small amount of CNT can improve the antistatic property of PET obviously. With the increase of CNTs, the antistatic performance of the