一種耐久性炭黑型導電纖維及其製備方法
2023-05-09 00:46:16
專利名稱：一種耐久性炭黑型導電纖維及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種複合導電纖維及其製造方法，具體地說涉及一種耐久性炭黑型導 電纖維及其製造方法背景技術
衣物由於摩擦而產生靜電是日常生活中經常見到的現象。靜電的存在，使衣物更 易吸附塵埃，從而嚴重影響到高精密儀器、生物製藥、食品等行業的生產；同時，眾所周知， 靜電的存在增加了易燃、易爆場所出現火災、爆炸的可能性。因此，這些場合對織物的性能， 特別是抗靜電性能提出了更高的要求。具有強度高、耐磨性好、原料來源充分等優點的合成 纖維廣泛應用於紡織行業各個領域，但由於其疏水性，較天然纖維更易產生靜電，因此對其 進行抑制靜電或消除靜電的研究就成為拓寬其使用範圍的必須。
以往，織物消除靜電的最主要方法是對織物進行抗靜電後整理，在其表面塗覆表 面活性劑，或者在織物中加入親水聚合物紡制的纖維，這些方法存在抗靜電持久性差、不耐 水洗或受環境溫溼度條件影響大。目前，消除靜電最有效的方法就是在織物中加入能夠徹 底、永久性消除靜電的導電纖維。導電纖維之一抓複合型炭黑導電纖維可使導電性不受環 境溫溼度的影響，在任何狀態下都賦予纖維製品突出的抗靜電效果，同時由於其特殊的加 工工藝，耐水洗性能優異，因而具有持久的抗靜電性。
複合型炭黑導電纖維採用複合紡絲的技術，加入了佔纖維總重量最多至30%的導 電炭黑，使纖維最終具備良好的消除靜電的性能，但因此也極大地提高了纖維的製造與使 用難度。複合型炭黑導電纖維具有不同的截面，從而具有不同的導電性能、力學性能及可紡 性能。
專利申請CN200510102574. 0公開了 一種導電性複合纖維的製造方法，將炭納 米管作為導電劑分散到熱塑性高分子上形成芯材；將非導電性纖維材料作為皮材對兩者 進行複合紡絲而獲得偏心型截面，然後通過拉伸工序製作導電性優異的導電纖維；專利 申請CN00131865. 9公開了炭黑主要以點狀均勻分布在纖維外側的導電纖維；專利申請 CN02805915. 8公開了一種混用有導電性熱塑性成分和纖維形成性成分構成的導電性複合 纖維的纖維複合體，導電性複合纖維由包含炭黑的熱塑性聚合物構成，導電性熱塑性成分 包覆50%以上的纖維表面；專利申請CN200710077508公開了一種炭黑在纖維截面中呈四 楔型分布的導電纖維；專利申請CN200710075982.0公開了一種導電層為三葉型或多層型 複合導電纖維；申請號為CN200410044897. 4，名稱為「原液著色複合導電纖維」的專利申請 中介紹了一種皮芯結構(導電炭黑在芯層)的導電纖維。
以上這些專利代表了市場上導電纖維的主要品種。其中炭黑在皮層的導電纖維具 有良好的導電性能，但由於炭黑層完全裸露，不僅增加了加工難度，炭黑層因後期折揉等動 作也具有更大的剝落風險。而炭黑在芯層則使纖維的功能性降低，難以進入對導電性能要 求更苛刻的高品種淨化場合。其餘如3點、4點等截面形狀的品種或者存在加工難度大，或 者存在導電性能不夠優良的缺陷。因此，本申請研究人員在現有技術的基礎上，經過大量研3究和實驗，力求得到一種導電性優良，且纖維的功能性優良的導電性複合纖維，有鑑於此， 特提出本發明。發明內容
本發明的一個目的在於，提供一種耐久性炭黑型導電複合纖維，該複合纖維的炭 黑不易剝落，因此提高了耐久性，同時，改善了纖維的力學性能，降低了纖維的表面摩擦系 數，因而提高後加工性能，更有利於下遊客戶的使用。本發明的另一個目的是提供一種耐久 性炭黑型導電複合纖維的製備方法。
本發明的另一個目的在於，提供一種耐久性炭黑型導電複合纖維的製備方法。
為實現本發明的第一個目的，一種耐久性炭黑型導電複合纖維，所述的複合纖維 包括功能層和保護層，其中功能層包括導電性炭黑、聚醯胺或聚酯類成纖高聚物，保護層由 聚醯胺或聚酯類成纖高聚物組成；在複合纖維的橫截面圓02中，所述的功能層由三條等長 的圓弧L1、L2、L3以及圓02的外周圍成的部分構成，所述的三條等長圓弧分別通過比圓02 半徑小的同心圓01上的三個等距離點，且此三條等長圓弧相互之間不相交。
本發明中所述的成纖高聚物是指能製成纖維的合成高分子聚合物。
所述的聚醯胺類成纖高聚物包括聚己內醯胺、聚己二酸己二胺等，所述的聚酯類 成纖高聚物包括聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯與聚對苯二甲酸丙二醇酯寸。
所述的同心圓O1半徑為纖維半徑的1/6 1/2。
所述的導電炭黑佔功能層總重量的9_35%，聚醯胺或聚酯類成纖高聚物佔功能層 總重量的63-90%。其優選導電炭黑佔功能層總重量的19-33%，聚醯胺或聚酯類成纖高聚 物佔功能層總重量的66% -80%。
導電炭黑添加量會影響纖維的導電性能及成纖性能，隨著炭黑添加量的增加，纖 維的導電性能變好，可紡性能變差。在實際生產中，可隨導電炭黑與載體的種類、工藝條件 的變化而具體設定，但當導電炭黑的含量達到35%時，導電性能趨於穩定，炭黑添加量繼續 增加，導電性能變化不大，可紡性能卻急劇惡化。
其中在功能層中還含有助劑，助劑佔功能層總重量的0.01-2%，其優選 0. 01-1%。
在複合纖維表面露出的每一段距離為複合纖維橫截面周長的1/30 1/21。
本發明的導電複合纖維，一部分炭黑導電成分露在纖維表面，其餘的被保護載體 所包覆，露出部分的炭黑通過芯部整體相連，這種結構的導電纖維與現有技術中公開的導 電纖維相比，由於導電成分在纖維體內相連，提高了纖維的導電性能，且炭黑不容易剝落， 因此提高了耐久性。
本發明的複合導電纖維是由功能層(導電層)與保護層(非導電層)經雙組份復 合紡絲技術而製得，其截面結構如圖7所示。這樣的截面結構結合現有技術的優勢，一方面 將導電成份在纖維體內連通，同點狀分布的纖維相比提高了纖維的導電性能；另一方面，炭 黑導電成份露出纖維表面，同將炭黑包覆在纖維內部的導電纖維相比提高了導電性能；炭 黑部分露出，且露出部分通過芯部整體相連，其餘被保護載體所包覆，同皮芯型(炭黑在皮 層)導電纖維及點狀導電纖維相比，炭黑更不易剝落，因此提高了耐久性。本發明更大的優勢在於，在提高了導電性能與耐久性的同時，改善了纖維的力學性能，降低了纖維的表面摩 擦係數，因而提高後加工性能，更有利於下遊客戶的使用。
本發明中功能層中所使用的導電炭黑是一種高結構、高導電性能的納米級導電 炭黑。所述的導電性炭黑在粉末狀態時的比電阻彡IO3 Ω ·_，優選所述的比電阻10_2 IO2 Ω .cm.所述的導電性炭黑的粒徑彡1 μ m，優選所述的導電性炭黑的粒徑為20 lOOnm。
所述的複合纖維中，功能層的重量佔複合纖維總重量的5-40%，保護層的重量佔 複合纖維總重量的60% 95%，其優選功能層的重量佔複合纖維總重量的20% 30%，保 護層的重量佔複合纖維總重量的70% 80%。
隨著功能層含量的增加，纖維導電性增加，力學性能及可紡性能下降。當功能層含 量太小時，熔體在組件內難以形成穩定的複合形式，同時導電成份在纖維內所佔的比例太 小而難以形成導電網絡，致使纖維的導電性能不夠，難以滿足基本要求。但功能層含量太高 時，纖維成纖困難，同時力學性能惡化。本發明的的複合纖維中，當功能層的重量佔複合纖 維總重量的時，複合纖維的導電性能、力學性能以及可紡性能均好。
為現實本發明的另一個目的，提供一種導電複合纖維的製備方法，採用如下方 案
(1)將導電炭黑和助劑按比例放入高速攪拌機中，在恆溫條件下攪拌混合均勻；
(2)將第(1)步製備的導電炭黑混合粉末與聚醯胺或聚酯成纖高聚物按比例加入 雙螺杆擠出機中，擠出、冷卻成條，切粒而製得導電母粒；
(3)將第( 步製備得的導電母粒在真空條件下乾燥，然後將導電母粒與聚醯胺 或聚酯類成纖高聚物採用紡絲牽伸一步法製備成導電複合纖維。
所述的助劑包括分散劑、抗氧劑等。
步驟(1)所述的溫度控制在80 120°C。
步驟( 所述的擠出時的溫度控制在聚醯胺或聚酯類成纖高聚物的熔點以上的 20 40°C 內。
步驟C3)所述的紡絲牽伸一步法包括分別將導電母粒、聚醯胺或聚酯類成纖高聚 物熔融擠壓，將熔體擠入組件，在組件內複合形成上述的截面結構後噴出絲條，絲條經冷 卻、上油、熱輥牽伸以及卷繞過程，即得到導電複合纖維。
本發明所述的複合纖維的製備過程中，步驟(1)所述的助劑以及其用量可根據具 體情況進行選擇，均為本領域技術人員常用的物質。
本發明提供的導電複合纖維與現有技術的相比，其優勢如下
本發明的複合導電纖維是由功能層(導電層)與保護層(非導電層)經雙組份復 合紡絲技術而製得，其截面結構如圖7所示。將導電成份在纖維體內連通，且炭黑導電成份 露出纖維表面，提高了纖維的導電性能；炭黑部分露出，且露出部分通過芯部整體相連，其 餘被保護載體所包覆，炭黑更不易剝落，因此提高了耐久性。本發明更大的優勢在於，在提 高了導電性能與耐久性的同時，改善了纖維的力學性能，降低了纖維的表面摩擦係數，因而 提高後加工性能，更有利於下遊客戶的使用。
圖1 圖6是現有技術的導電纖維截面圖。5
圖7是本發明的纖維截面圖。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發明的內容進行具體描述。其中A為功能層(導電層)， B為保護層(非導電層)；百分比若無特別說明均為重量百分比(wt%)。
在下面的實施例中的各項性能指標，根據以下方法測定。
1、線密度試驗按GB/T 14343中絞絲法規定執行；
2、斷裂強度和斷裂伸長率試驗按GB/T 14344中規定執行；
3、纖維截面試驗用哈氏切片器切片後在光學顯微鏡下觀查並拍照；
4、纖維導電性能將纖維切斷成IOOmm士2mm長度的試樣，在纖維試樣兩端粘上電 導率大於1.0 X KT1SAi的導電膠。然後將試樣兩端與金屬電極相連，外加500V的直流電壓， 測定電阻值。以同樣方法測定5段試樣電阻值，取平均值，並折算成每cm長度的電阻值，作 為樣品的最終測定電阻值。
實施例1
將佔功能層總重量粒徑30 50nm、比電阻彡10 Ω · cm的高結構導電炭黑粉 體與佔功能層總重量71. 6%的聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)以及分散劑、偶聯劑、抗氧劑 等經包覆、分散、混合後，經雙螺杆造粒製得A組份；以纖維級聚對苯二甲酸乙二醇酯切片 為B組份；兩組份分別加入複合紡絲機的A、B料倉，進入乾燥機進行乾燥。A組份也可採用 真空轉鼓乾燥後直接投入A組份幹切片料倉。
A、B組份分別經A、B螺杆熔融擠壓後，分別經A、B計量泵按22% 78%的比例將 熔體擠入噴絲組件，熔體在組件內複合形成設計要求的截面結構後結噴絲孔噴出獲得如圖 7所示截面結構的絲條。絲條經冷卻、上油、牽伸、熱定型後卷繞成筒，製得導電纖維。牽伸 溫度設定為80°C，熱定型溫度設定為135°C，牽伸倍數為2. 6倍，卷繞速度為^OOm/min。
最終製得的導電複合纖維，其線密度為22. 3dteX/3f，斷裂強度為2. 7cN/dteX，斷 裂伸長率為55%，纖維電阻為4. 3 X IO7 Ω/cm。
實施例2
A組份的製備方法同實施例，僅改變A組份炭黑的配比，其佔功能層總重量的 22%，佔功能層總重量77. 2%的聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，其餘同實施例1製得A組 份，並採用與實施例相同的紡絲工藝，製得如圖7所示截面的導電複合纖維。
導電纖維的線密度為23. 4dtex/3f，斷裂強度為2. 9cN/dteX，斷裂伸長率為61%， 纖維電阻為7. 9 X IO7 Ω/cm。
實施例3
將佔功能層總重量30%的粒徑30 50nm、比電阻彡10 Ω · cm的高結構導電炭黑 粉體與佔功能層總重量69%的聚己內醯胺(PA6)以及相應的分散劑、偶聯劑、抗氧劑等經 包覆、分散、混合後，經雙螺杆造粒製得A組份；以纖維級聚己內醯胺切片為B組份。兩組份 分別加入複合紡絲機的A、B料倉，進入乾燥機進行乾燥。A組份也可採用真空轉鼓乾燥後 直接投入A組份幹切片料倉。
A、B組份分別經A、B螺杆熔融擠壓後，分別經A、B計量泵按18% 82%的比例將 熔體擠入噴絲組件，熔體在組件內複合形成設計要求的截面結構後結噴絲孔噴出獲得如圖7所示截面結構的絲條。絲條經冷卻、上油、牽伸、熱定型後卷繞成筒，製得導電纖維。牽伸 溫度設定為60°C，熱定型溫度設定為150°C，牽伸倍數為2. 9倍，卷繞速度為3200m/min。
最終製得的導電複合纖維的線密度為22. 2dtex/3f，斷裂強度為3. lcN/dtex，斷 裂伸長率為46%，纖維電阻為2. 2 X IO7 Ω/cm。
實施例4
在實施例3的基礎上，改變A組份中炭黑的配比，其佔功能層總重量的33%，佔功 能層總重量66. 5%的聚己內醯胺(PA6)，其餘與實施例3相同，製得如圖7所示截面的導電 複合纖維
導電纖維的線密度為24. ldtex/3f，斷裂強度為2. 7cN/dteX，斷裂伸長率為42%， 纖維電阻為1.8 X IO7 Ω/cm。
實施例5
在實施例4的基礎上，改變牽伸倍數為3. 2倍，卷繞速度為2500m/min，採用紡絲牽 伸一步法製得如圖7所示截面的導電複合纖維。
導電纖維的線密度為22. 8dtex/3f，斷裂強度為3. 3cN/dteX，斷裂伸長率為44%， 纖維電阻為3. 3 X IO7 Ω/cm。
實施例6
將20重量份的粒徑20 40nm、比電阻彡5 Ω · cm的高結構導電炭黑粉體與80 重量份的聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)以及分散劑、偶聯劑、抗氧劑等經包覆、分散、在溫 度為100°C時攪拌混合後，經雙螺杆在溫度高出聚對苯二甲酸丁二醇酯熔點30°C條件下擠 出、冷卻成條、造粒製得A組份；以纖維級聚對苯二甲酸乙二醇酯切片為B組份；兩組份分 別加入複合紡絲機的A、B料倉，進入乾燥機進行乾燥。
A、B組份分別經A、B螺杆熔融擠壓後，分別經A、B計量泵按20% 80%的比例將 熔體擠入噴絲組件，熔體在組件內複合形成設計要求的截面結構後結噴絲孔噴出獲得如圖 7所示截面結構的絲條。絲條經冷卻、上油、牽伸、熱定型後卷繞成筒，製得導電纖維。牽伸 溫度設定為80°C，熱定型溫度設定為135°C，牽伸倍數為2. 6倍，卷繞速度為^OOm/min。
最終製得的導電複合纖維，其線密度為22. 3dtex/3f，斷裂強度為2. ScN/dtex，斷 裂伸長率為67%，纖維電阻為6. 9 X IO7 Ω/cm。
實施例7-10
其他工藝條件參考實施例6，所不同參數的是下述表格，表中參數的單位與實施例 1中相應的參數單位相同
參數實施例7實施例8實施例9實施例10製備A組分炭黑用量(wt % )15%18%10%25%製備A組分聚合物及用量)PA66 84%PTT 80%PET 88. 8%PBT 74. 7%A、B組分比例30 7040 605 9515 8權利要求
1.一種耐久性炭黑型導電複合纖維，其特徵在於，所述的複合纖維包括功能層和保護 層，其中功能層包括導電性炭黑、聚醯胺或聚酯類成纖高聚物，保護層由聚醯胺或聚酯類成 纖高聚物組成；在複合纖維的橫截面圓02中，所述的功能層由三條等長的圓弧L1、L2、L3以 及圓02的外周圍成的部分構成，所述的三條等長圓弧分別通過比圓02半徑小的同心圓01 上的三個等距離點，且此三條等長圓弧相互之間不相交。
2.根據權利要求1所述的耐久性炭黑型導電複合纖維，其特徵在於，所述的同心圓01 半徑為複合纖維半徑的1/6 1/2。
3.根據權利要求1所述的耐久性炭黑型導電複合纖維，其特徵在於，所述的導電炭黑 佔功能層總重量的9-35%，聚醯胺或聚酯類成纖高聚物佔功能層總重量的63-90%。
4.根據權利要求1-3中任意一項所述的耐久性炭黑型導電複合纖維，其特徵在於， 功能層在複合纖維橫截面圓周上的每一個露出處的露出距離為複合纖維橫截面周長的 1/30 1/21。
5.根據權利要求1所述的耐久性炭黑型導電複合纖維，其特徵在於，所述的導電性炭 黑在粉末狀態時的比電阻彡103 Ω · cm，優選所述的比電阻10-2 102 Ω · cm。
6.根據權利要求1或5所述的耐久性炭黑型導電複合纖維，其特徵在於，所述的導電性 炭黑的粒徑彡1 μ m，優選所述的導電性炭黑的粒徑為20 lOOnm。
7.根據權利要求1所述的耐久性炭黑型導電複合纖維，其特徵在於，所述的複合纖維 中，功能層的重量佔複合纖維總重量的5-40%，保護層的重量佔複合纖維總重量的60% 95%。
8.根據權利要求1或7所述的耐久性炭黑型導電複合纖維，其特徵在於，所述的複合纖 維中，功能層的重量佔複合纖維總重量的20% 30%，保護層的重量佔複合纖維總重量的 70% 80%。
9.根據權利要求1 8中任意一項所述的耐久性炭黑型導電複合纖維，其特徵在於，所 述的聚醯胺類成纖高聚物包括聚己內醯胺、聚己二酸己二胺，所述的聚酯類成纖高聚物包 括聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯與聚對苯二甲酸丙二醇酯。
10.一種權利要求1-9中任意一項所述的耐久性炭黑型導電複合纖維的製備方法，其 特徵在於，所述的方法包括如下步驟(1)將導電炭黑和助劑按比例放入高速攪拌機中，在恆溫條件下攪拌混合均勻；(2)將第(1)步製備的導電炭黑混合粉末與聚醯胺或聚酯類成纖高聚物按比例加入雙 螺杆擠出機中，擠出、冷卻成條，切粒而製得導電母粒；(3)將第(2)步製備得的導電母粒在真空條件下乾燥，然後將導電母粒與聚醯胺或聚 酯類成纖高聚物採用紡絲牽伸一步法製備成導電複合纖維；所述的助劑包括分散劑、抗氧劑。
全文摘要
本發明提供一種耐久性炭黑型導電複合纖維及其製造方法，所述的複合纖維包括功能層和保護層，在複合纖維的橫截面圓O2中，所述的功能層由三條等長的圓弧L1、L2、L3以及圓O2的外周圍成的部半徑小的同心圓O1上的三個弧分別通過比圓O2等距離點，且此三條等長圓弧相互之間不相交。該導電纖維經如下方法製備將導電炭黑和助劑混合均勻；然後與成纖高聚物製得導電母粒；將其乾燥後與成纖高聚物採用紡絲牽伸一步法製備成導電複合纖維。該導電複合纖維因特殊設計的截面結構，使纖維中的炭黑不易剝落，因此提高了耐久性。同時，改善了纖維的力學性能，降低了纖維的表面摩擦係數，因而提高後加工性能，更有利於下遊客戶的使用。
文檔編號D01F8/14GK102031588SQ20091030788
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者楊春喜, 王玥, 王顥, 袁平, 許志強 申請人:凱泰特種纖維科技有限公司, 北京中紡優絲特種纖維科技有限公司