炭黑／聚氨酯熔纺导电纤维结构与性能的研究

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研究论文F be i rRbs ar e ch

炭黑/聚氨酯熔纺导电纤维结构与性能的研究刘小波，安树林，卢佳楠 (津工业大学，改性与功能纤维天津市重点实验室，天津 3 0 6 )天 0 10

摘要：将导电炭黑混入刭热塑性聚氨酯中，经熔融纺丝制得导电纤维。随着炭黑含量增加，炭黑，聚

炭黑含量在 1‰ l 3 6%时，炭黑在体系中的分布较为ll… _ _

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文章编号：10-04 -06 202-3 0175￣ 0)I 030 -3 -。

导电炭黑：粒径 3 m,D P吸油指数 18 0n B 8U刖吾

m/ 0g Ll,卡博特公司产；热塑性聚氨酯：型号为 O 1 8,天津市大邱庄泡沫厂产；钛酸酯分散剂 10 (一 0:安徽长天绿色化工助剂厂产；二甲基乙 L 5) S酰胺 ( M c:上海向阳化工厂产。 D A)

聚氨酯纤维又名氨纶，是一种性能优异的合成纤维，具有伸长率大、弹性回复率高、弹性模量低、耐疲劳性好、耐腐蚀、耐晒、耐光、抗老化， 对染料有良好的亲和力，染色性好等特点。另外，在织物中加入少许氨纶 ( 2%~约 5%),就可改善

G一0高速混合机，北京市华新科塑料机械 H 1有限公司；D 2 3绝缘电阻仪，南京大展机电技 Z6 1术研究所；u一 6电子纤维强力仪，莱州市电子 0仪器有限公司；流变仪 X Y I L—I,吉林大学科技仪

织物性能，使织物的档次大为提高【 I】电纤维通。导常指在温度为 2 0c C、相对湿度为 6 5%的标准状态下，电阻率在 1s c以下的纤维。导电纤维是 0 Q·m

器厂；动态粘弹谱仪 N T S MA 4,德国 E Z H D 22N T S H D A公司：Q at 2 0 EZC M una 0 0型扫描电子显 微镜 (E ) S M,荷兰 F I E公司；T 0型台式熔融纺 R1

差别化纤维的重要品种之一，具有导电、传热和抗电磁波辐射等功能。通常在织物中加入约 1 . 5%~ 2 . 0%的导电纤维就能达到非常好的功能效果嘲。本实验在热塑性聚氨酯中加入导电炭黑 (B C)后。经过熔融纺丝制成纤维，在基本上不影响原有纤维的弹性性能的基础上。使纤维同时具备导电功

丝实验机

,北京若江化纤技术有限公司。1实验方法 . 2

扫描电镜 (E S M)的测试：用 S M观察纤维 E截面，测试不同炭黑含量的纤维中炭黑的分布状态。

能。本实验通过各种测试方法研究了不同百分含量炭黑对聚合物体系的影响，为进一步开发聚氨酯导电纤维奠定了基础。

炭黑，塑性聚氨酯共混物流变性能测定：用热流变仪测出不同炭黑含量的纤维在熔融时的剪切应力和剪切速率。从而得到纤维的表观黏度。动态力学性能测试：采用德国 N T S H公司 EZC

1实验 1原料及设备 . 1收稿日期：2 0 - 6 1修回日期：2 0 - 7 3 06 0— 3 0 60— 1作者简介：刘小波 (9 1)男，河北唐山市人，硕士研究生。 18~,

D A 22动态粘弹谱仪进行纤维的动态力学分析 M一4 ( MA。测试频率分别为 1 z z z D ) 0H、5H、1H,升温速率 5￣/ n Cmi。

合成纤维 S C 2 0 o1 3 F 0 6 N .22

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导电纤维电阻率的测试：用电阻仪测试纤维电阻 R,根据公式 p R/出体积比电阻 (= SL得电阻

减少了流动单元所受的约束；同时温度升高使分子链段获得更多的能量，熔体黏度下降。

率),其中 s为纤维试样横截面积 (m) c 2,L为纤维试样长度 (r。每个试样测试 5次后取平均 e) a值。测试温度 2 O℃,相对湿度 5 O%。

纤维力学性能的测试：用 L Y 0型电子纤维 L一6

强力仪测定纤维的断裂强度。纤维实验长度为 1 0mm。实验拉伸速度 2 m m n 0m/ i。测试温度 2 0℃,相对湿度 6 5%。

2结果与讨论2 C . B在共混纤维中的分布 1图 2炭黑含■与体系表观黏度的关系

从图 1以看出：当炭黑含量为 1可 O%时，炭

2 C . B含量对导电纤维 T的影响 3|

黑之间的距离较宽，且被埋在聚氨酯基体中；当炭黑含量为 1 6%时，炭黑离子之间的间距较小，可以明显看到炭黑颗粒。

由图 3可见：导电纤维的玻璃化转变温度随着炭黑含量的增加而逐步提高。这是由于炭黑的加入减少了大分子链段运动的自由体积，再加上炭黑表

晕暑 i啪枷 枷面的吸附能阻碍了大分子链的单=气瑚 ,

使 间键旋转运动得玻璃化转变温度增加。另外，从图中可以看出： 测试的频率对导电纤维的玻璃化转变温度也有影

响。频率越高，所测的玻璃化转变温度越高。这是因为在较高频率下，分子链缺少活动性 1 3 1。

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1% 6、

图 1炭黑，氯醋纤维的截面 S M照片聚 E

从后面测试得出的结论也可以知道：炭黑百

分含量为 1 6%的纤维导电性好，但力学性能下降，因为炭黑含量的增加虽然在体系中构建了导电通—

2 O

2

4 6 8 1 1 1 1 1 0 2 4 6 8

路，但是影响聚氨酯基体的结构。 2 C . B含量对共混体系表观黏度的影响 2由图 2可见：在相同的温度下，随着炭黑粒子填充含量的增大，C/ B聚氨酯共混体系的表观黏度也随之增加，并且，20o的表观黏度比 10℃的 0 C 8表观黏度有明显下降。这可解释为：C B粒子是一种不可变形的无机固体颗粒，而热塑性聚氨酯的熔点较低，因此在聚氨酯流动的温度下，C B粒子流动性极差。所以，在聚氨酯分子链发生运动时，浓度较高的 c B粒子会有阻碍和束缚的作用，使大分子链的迁移缓慢，体系的表观黏度上升，流动性下降。另外，当温度升高时，分子间自由体积增大，

炭黑的质量百分含量，%

图 3炭黑含量对 C聚氨鹭导电纤维的影响

2 C . B含量对纤维导电性的影响 4

由图 4可见：随着炭黑含量的增加，纤维的电阻率在下降；炭黑含量为 1 3%一 6%之问电阻率下 1

降得最快；再增加炭黑，纤维电阻率下降趋于平缓。这是因为在炭黑质量分数较低时隧道效应占主导地位，纤维电阻较大；随着炭黑质量分数的增加，炭黑粒子在体系中通过隧道效应或电子跃迁形成连续的导电通路或导电网络，因而体积电阻率急

剧减小；当导电网络已形成，导电通路基本完善后再增加炭黑的质量分数对电子转移的贡献已不那么

2合成纤维 S C 0 6 N .2 4 F 2 0 o1

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明显，因此纤维电阻率的变化明显减缓。

炭黑的加入虽然造成了纤维断裂强度的下降， 但由于导电纤维在织物中的用量很低 (. 20 1 5%~ . %),并且炭黑/酯导电纤维具有良好的弹性，聚氨 织物的强度主要

由其他的纤维承担，所以断裂强度的降低并不会影响炭黑/聚氨酯导电纤维的应用。

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3结论炭黑，热塑性聚氨酯导电纤维随着炭黑含量的增加，表观黏度升高，纺丝难度增加；玻璃化温度

有所提高；导电性提高；纤维的力学性能变差。炭黑含量在 1 3%~ 6%之间时，炭黑在纤维中的分布 1圈 4炭黑含量与纤维电阻之间的关系

较好，兼顾了纤维的导电性和力学性能。参考文献【阳贝双。 1]王桦 .纤维及其应用领域叽.川纺织科技。0 1:3导电四 20, 1- 2l. 5

25 B含量对纤维断裂强度的影响 . C

如图 5所示：纤维的断裂强度随着炭黑含量的增加而下降。C B的加入量多，局部范围内的应力增加，形成应力集中点增加。所以炭黑加入越多， 纤维就越容易断裂。

【 2]陈彬 .纶工业状况与生产技术发展趋势叽.江化工， o。61氨浙 2 53() 0:3— 8 73 .

[董炎明.子分析手册【 . 3】高分 M】中国化工出版社， o .45 2 4. . O 36

【李莹， 4]王仕峰等.炭黑填充复合型导电聚合物的研究进展叽.塑料。2 0。42: 8 0 5 3 () - . 7

【 onrR BCnu tem trl f S plai sa vri 5 se .odci a i s o E D api t n:noev w]R v ea r c o e[】 l tcl c. e r a E ci2 0。￣{6-8:2 - 3 . 0 0 s p2 - ) 1 1 1 1 2

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【】广艳 .树林等 .黑， 6高安炭聚酯复合纤维中导电组分的研究天津

炭黑的质量百分含量，%圈5 C B含量与纤维断裂强度的关系

工业大学学报， 0, () 2 1. 2 5 42:— 5 0 2 1

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合成纤维 S C 0 6 N .22 F 2 O o1 5

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