导电蚕丝的制备与性能研究

洪剑寒,李文亮 ,韩潇,张培夫

(1.绍兴文理学院 纺织服装学院，浙江绍兴 312000；2.苏州经贸职业技术学院，江苏苏州215009；3.中国乐凯集团有限公司，河北保定 071000)



导电蚕丝的制备与性能研究

洪剑寒1,2,李文亮3,韩潇1,张培夫1

(1.绍兴文理学院 纺织服装学院，浙江绍兴 312000；2.苏州经贸职业技术学院，江苏苏州215009；3.中国乐凯集团有限公司，河北保定 071000)

采用原位聚合法使蚕丝纤维表面生成一层聚苯胺导电层，形成皮芯结构蚕丝/聚苯胺复合导电纤维，赋予蚕丝导电性能。研究氧化剂的浓度对蚕丝/聚苯胺复合导电纤维的电导率的影响，并测试分析了导电纤维的表面形貌、化学结构及力学性能。研究结果表明：导电蚕丝的电导率随着氧化剂浓度的提高呈现先增后减的趋势，电导率最高达到0.3S/cm左右。原位聚合在蚕丝表面生成的物质为聚苯胺，且随着氧化剂浓度的提高，导电蚕丝表面的聚苯胺含量逐渐增多。与未处理的蚕丝相比，导电蚕丝的力学性能变化较小。

蚕丝聚苯胺导电处理原位聚合

蚕丝被誉为“纤维皇后”，性能优异，如蚕丝织物的珍珠般柔和的光泽、柔软滑糯的手感、良好的悬垂性和飘逸感、优异的贴肤感、极好的吸湿性和透气性等是其他纤维制品所无法比拟的。但是，蚕丝织物也存在一定的缺陷，如：难以取得好的色牢度、易缩水、泛黄、摩擦易引起损伤、容易被污染、易起皱、对酸碱敏感、比电阻高等。

研究发现蚕丝的高比电阻对产品加工与使用具有很大的影响：含水率为10%时，蚕丝的质量比电阻为109Ω·g/cm，在相对湿度为65%的条件下，蚕丝的质量比电阻达到1010Ω·g/cm；在低温及干燥情况下，蚕丝的质量比电阻更是达到1014Ω·g/cm，容易产生静电。特别是目前蚕丝与其他天然纤维羊毛、羊绒以及涤纶、PTT纤维、outlast纤维等混纺或复合的产品越来越多，静电问题日趋严重，对蚕丝织物的生产以及服装的使用造成了严重的影响。

为解决纤维的静电问题，目前已有较为成熟的方法。如化学纤维生产中加入导电组分进行共混纺丝，以及通过后整理的方法使导电组分附着在纤维表面。目前所用的导电组分以炭黑、金属、金属氧化物等无机材料为主。随着导电高分子材料研究的进展，导电高分子材料在导电纤维中的研究越来越深入。与其他常见的几种导电高分子材料相比，聚苯胺的性能更为优异，如电导率高、成本低廉、稳定性好等[1]。因此，在导电纤维中得到了广泛的研究。目前以聚苯胺制备导电纤维主要有熔体纺丝[2]、湿法纺丝[3]、原位聚合等，其中原位聚合因制备工艺简便、制得的导电纤维电导率高以及基质纤维的力学性能基本不受影响等被认为是最具有商业化前景的高分子材料导电纤维制备方法。国内外的研究人员以各种纤维为基材，采用原位聚合法制备导电纤维的研究层出不穷，制得了导电涤纶[4]、导电锦纶[5]、导电丙纶[6]、导电PTT纤维[7]、导电芳纶[8]、导电羊毛[9]、导电棉纤维[10]等。

本文采用原位聚合法制备了皮芯结构的蚕丝/聚苯胺复合导电纤维，并研究了其结构与性能。

1　实验部分

1.1实验材料

实验用材料如表1所示。

表1　实验药品和材料

1.2蚕丝/聚苯胺复合导电纤维的制备

将蚕丝纤维置于苯胺单体溶液中，浸泡2h小时后取出，使蚕丝表面充分吸附苯胺，然后将其均匀挤压，控制苯胺单体与蚕丝的重量比为1∶1左右。

以过硫酸铵为氧化剂，盐酸为掺杂酸配置成反应液。控制苯胺的含量与反应液的质量体积比为1g∶100mL，反应液放入20℃的恒温水浴中进行均匀的振荡，使蚕丝纤维分散并充分反应。一定时间后，取出反应液中的蚕丝纤维，用去离子水洗涤数次直到洗涤液澄清透。然后将制得的蚕丝/聚苯胺复合导电纤维自然晾干。

1.3测试分析

1.3.1电导率测试

将蚕丝/聚苯胺复合导电纤维在温度20℃，相对湿度为65%的环境下平衡24h后，用ZC-90G高绝缘电阻测量仪(上海太欧电气有限公司)测量3cm长纤维束的电阻值，然后按式(1)计算电导率。

(1)

式中：σ为纤维的电导率(S/cm)；L表示所测纤维束的长度(cm)；R为纤维束的电阻(Ω)；S为纤维束的截面积(cm2)。

1.3.2红外光谱

将导电处理前后的样品剪成碎片，利用溴化钾压片法分别制成红外分析样品，然后放入IRPrestige-21红外光谱仪(Shimaduco., LTD，日本)中测定并记录红外光谱图像。

1.3.3表面形貌

将导电处理前后的蚕丝分别固定在试样台上进行喷金处理，将得到的材料放入SNE-3000M型扫描电镜(SEC Co., Ltd，韩国)中进行观察并拍摄照片。

1.3.4力学性能

导电处理前后的样品的物理机械性能使用Instron3365万能材料试验机(Instron Corporation，美国)来测定，试样夹持长度为250mm，测试速度为250mm/min。

2　结果与讨论

2.1电导率

以盐酸为掺杂酸，固定其浓度为0.5mol/L，反应时间为100min，改变过硫酸铵的浓度分别为1g/L、5g/L、10g/L、20g/L、30g/L、40g/L和50g/L，研究氧化剂浓度对蚕丝/聚苯胺复合导电纤维电导率的影响。表2所示为过硫酸铵浓度对复合纤维电导率的影响。

表2　过硫酸铵浓度对复合纤维电导率的影响

由表中可以看出，当过硫酸铵浓度为1g/L时，纤维电导率很小，仅为 S/cm，随着过硫酸铵浓度的提高，纤维电导率急剧增大；过硫酸铵浓度为10g/L时，复合纤维电导率就较1g/L时提高了6个数量级。随后纤维电导率虽过硫酸铵浓度的增大而继续增大，但增幅明显放缓，在浓度为30g/L时，纤维电导率达到最高，为 S/cm。之后随着过硫酸铵浓度的继续增加，纤维电导率开始下降，当过硫酸铵浓度为50g/L时，纤维电导率较最高值下降一个数量级。

2.2红外光谱

图1所示为导电处理前后纤维的红外光谱图，曲线1为实验处理前的普通蚕丝，曲线2为本次制得的最高电导率的导电蚕丝的红外光谱曲线。蚕丝纤维主要成分为蛋白质，其红外光谱的主要特征谱带，体现在3300-3450，3068，1647，1542，1480～1340，1280～1230和734cm-1处，其中1200～800cm-1为各种多肽结构的特性带[11]。

图1　导电处理前后蚕丝纤维红外光谱

在蚕丝/聚苯胺复合纤维的红外光谱图中，这些蚕丝纤维的特征峰依然存在，同时，里面增加了一些新的特征峰，这些峰出现在：1602cm-1处对应聚苯胺内醌式结构N=Q=N的伸缩振动，1488cm-1处的特征峰对应聚苯胺内苯式结构N-B-N的伸缩振动，1302cm-1处的特征峰对应C-N伸缩振动，1125cm-1处的特征峰对应苯环的面内弯曲振动，821cm-1处的特征峰对应1,4取代苯环C-H平面外弯曲振动。这些特征峰证实：经处理的蚕丝纤维表面附着了具有导电性能的氧化态聚苯胺，既具有被氧化成分也具有被还原成分。

2.3表面形貌

图2所示为导电处理前后的蚕丝纤维表面形貌。(a)为普通蚕丝的表面形貌，从图中可以看出，未经处理的普通蚕丝表面光滑平整。

图2　蚕丝导电处理前后的表面形貌

(b)为1g/L氧化剂浓度下制备的的蚕丝/聚苯胺复合导电纤维的表面形貌。从图中可以看出，当氧化剂浓度很低时，纤维表面仅有极少量的聚苯胺颗粒。

(c)所示为采用30g/L氧化剂浓度得到的复合纤维的表面形貌。从图中可以看出，纤维表面已经大部被聚苯胺导电层所覆盖，纤维之间也充塞着聚苯胺。

(d)所示为50g/L氧化剂浓度下制备的复合纤维的表面形貌。从图中可以看出，蚕丝纤维表面包裹大量聚苯胺，聚苯胺厚度明显大于图(c)。

过硫酸铵浓度的提高，促使更多的苯胺反应，生成聚苯胺附着在蚕丝纤维的表面，因此聚苯胺含量随过硫酸铵浓度的提高而提高。

2.4力学性能

表3为实验处理前后纤维的力学性能。

表3　样品的力学性能

从表中可以看出，蚕丝经过导电处理后，纤维的力学性能发生了一定的改变。其中断裂强力变化极小，断裂伸长率有所下降，而初始模量有所提高。断裂伸长率的减小主要是由于纤维在酸性和氧化剂的作用下，纤维受到损伤所致；初始模量的提升表明蚕丝纤维经导电处理后，其小应力下变形能力的下降，这主要是由于韧性较低、难发生变形的聚苯胺附着于纤维表面，而对基质纤维形成一定的支撑作用，从而提高了其初始模量。而对于强力的影响，一方面，纤维在酸性和氧化剂条件下的受损会对纤维强力造成不利影响，但另一方面，由于聚苯胺对纤维的支撑以及聚苯胺对纤维的黏着导致多根纤维测试时的断裂不同时性下降有利于其断裂强力的提高，综合两方面的因素，导电处理对蚕丝纤维的断裂强力没有带来太大的影响。

3　结论

采用原位聚合法制备蚕丝/聚苯胺复合导电纤维，能制得较高导电性能的纤维，在本文实验范围内，纤维电导率可达。氧化剂的浓度对蚕丝/聚苯胺复合导电纤维的电导率产生较大影响，在本文实验范围内，随过硫酸铵浓度的提高，复合导电纤维电导率呈现先增大后减小的趋势。导电处理后纤维表面附着物为导电态聚苯胺，随着氧化剂浓度的提高，聚苯胺含量逐渐提高。导电处理对蚕丝纤维的力学性能产生了一定影响，其中断裂强力影响不大，断裂伸长率稍有下降，而初始模量有所提升。

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1008-5580(2016)03-0036-04

2016-05-15

江苏省自然科学基金(BK20150360,BK20141267)，绍兴文理学院科研启动项目(20155036)。

洪剑寒(1982-)，男，博士，讲师，研究方向：纺织材料和纺织工艺。

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