UV光固化法制备炭黑导电棉织物

王 娜，符亚楠，郭亚丽，王娜娜，管鑫燚

（河南工程学院材料与化学工程学院，河南郑州 450007）

随着科技的进步与发展，人们对纺织品的要求越来越趋向于多元化。导电柔性织物因高附加值与高技术含量而具有巨大的市场潜力，在纺织行业中占有重要地位［1-2］。炭黑凭借着优秀的导电性能以及良好的化学稳定性，应用于电子元件、合成纤维、石油化工、橡胶轮胎等多个行业［3］。聚氨酯丙烯酸酯（PUA）凭借良好的柔韧性、耐磨性以及固化速度快等，广泛应用在油墨、涂料行业［4-5］。UV 光固化技术是20世纪60年代发展起来的一项技术，凭借节能环保、快速成膜等特点受到越来越多科研人员的关注［6-7］。李会录等［8］以PUA 和EA 为预缩体，用UV 光固化技术制备了PP 薄膜涂层材料。徐英杰等［9］研究了电磁吸收剂对UV 光固化体系的影响。邱凤仙等［10］运用UV 光固化技术制备的氧化石墨烯/PUA 复合功能涂料具有良好的电磁屏蔽性能。本课题以炭黑为导电物质，光引发剂1173、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、PUA 为成膜物质，制备了炭黑导电棉织物，探究了导电性能和耐洗性，并寻找最佳UV 光固化工艺。

1 实验

1.1 材料及仪器

织物：纯棉机织物（20 tex×20 tex，268 根/10 cm×268根/10 cm）。

试剂：导电炭黑色浆（北京麦尔化工科技有限公司），聚氨酯丙烯酸酯（济宁华凯树脂有限公司），三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），光引发剂1173（广州冠川贸易发展有限公司）。

仪器：RC-MP2000 型磁棒印花机（靖江市华夏科技有限公司），Intelli-Ray 600-Uvitron 型紫外固化机（美国UVITRON 公司），DZF-6020 型真空干燥箱（上海三发科学仪器有限公司），SZT-2B 四探针电阻测试仪（苏州同创电子有限公司），RC-Z2400 型振荡水浴锅（上海一派印染技术有限公司）。

1.2 UV 光固化导电炭黑色浆的制备

称取导电炭黑色浆于烧杯中，加入2 g TMPTA，搅拌，加入PUA 并保持搅拌至色浆均匀，在临用前加入1173，得到导电印制色浆。

1.3 UV 光固化导电炭黑色浆印花

将UV 光固化导电炭黑色浆放在镂空的6 cm×12 cm 筛网上，在筛网下方放上提前剪好的10 cm×25 cm棉织物，调整磁棒印花机的磁力为12、印花速率为12 m/min 印制棉织物。把印制好的棉织物放入紫外固化机进行固化处理，固化结束后取出织物。

1.4 测试

导电性能：将棉织物放在80 ℃真空干燥箱内烘1 h，再放入干燥器平衡24 h，然后用四探针电阻测试仪测定表面电阻，测量8次，取平均值。

耐洗性：按照AATCC 135—2018，将导电棉织物用标准合成洗涤剂溶液洗涤不同次数，测试洗涤后棉织物的表面电阻。

耐摩擦色牢度：按照GB/T 3920—2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 棉织物导电性能的影响因素

2.1.1 炭黑用量

由表1 可以看出，随着炭黑用量的增加，棉织物的表面电阻减小，说明织物的导电性能提高。这是因为1173 经过光照后产生活性基团，促使TMPTA 和PUA 的碳碳双键发生聚合，从而交联成膜，炭黑作为一种天然的导电物质粘在棉织物上，赋予织物一定的导电性。当炭黑用量为3.7%、7.1%、10.7%、13.3%时，棉织物的增重率分别为1.03%、2.51%、3.90%和5.81%，说明随着炭黑用量的增加，印制在织物上的炭黑增多，炭黑之间的连续性好，从而使织物的导电性提高。当炭黑用量为10.7%和13.3%时，印制的棉织物表面电阻相差较小，为了节约成本，炭黑用量控制在10.7%较为合适。

表1 炭黑用量对棉织物导电性能的影响

2.1.2 PUA 用量

由表2 可看出，随着PUA 用量的增加，织物摩擦前的表面电阻逐渐增大。这是因为当PUA 用量为0%时，织物表面无法成膜，炭黑直接“裸露”在织物表面，故摩擦前织物的表面电阻较低；由于炭黑在织物表面无法成膜很难固着，摩擦后大量炭黑从织物上脱落，表面电阻明显增大。随着PUA 用量的增加，1173 产生的自由基使TMPTA 和PUA 的碳碳双键打开发生光固化反应，色浆中的炭黑通过黏合剂附着于织物上不易脱落；但PUA 用量过大，PUA 成膜厚度增加，且1173、TMPTA 和PUA 形成的薄膜并不导电，导致薄膜中导电炭黑的连续性降低，织物的表面电阻增大。随着PUA 用量的增加，整个体系的内聚强度增大，氢键增多，织物上印制的图案抗弯曲性能增大，织物柔顺性变差，手感变硬。随着PUA 用量的增加，导电织物的耐摩擦性能提高。综合考虑，PUA 用量控制在3.4%最合适。

表2 PUA 用量对棉织物导电性能的影响

2.1.3 1173用量

由表3 可知，随着1173 用量的增加，导电棉织物摩擦前的表面电阻增大。这是因为1173 用量为0%时，色浆中的预聚物和单体反应不完全，无法形成薄膜或成膜较差，炭黑“裸露”在棉织物表面，而不是被涂层膜包覆。此外，炭黑用量较高，导电物质在膜上的连续性好，因此表面电阻小；但由于无法成膜，导电棉织物的耐摩擦性能很差，摩擦后表面电阻大幅增加。随着1173 用量的增加，光引发剂由辐射产生的自由基变多，PUA 和TMPTA 的聚合程度变大，形成的膜变厚，炭黑被固化膜包覆，表面电阻变大，织物的耐摩擦性能明显提高，摩擦前后表面电阻相差较小。综合考虑，1173 用量为11.1%时，织物的导电性和耐摩擦性能均较好。

表3 1173用量对棉织物导电性能的影响

2.1.4 固化时间

由表4 可知，随着固化时间的延长，整理织物的表面电阻先变小后变大。这是因为随着光照时间的延长，1173 产生越来越多的活性基团，引发活性单体和光固化低聚物发生交联反应，产生能够吸附在织物上的薄膜，且膜的厚度随着UV 光固化时间的延长而增厚，从而导致薄膜内导电炭黑的连续性变差。在固化时间为10～20 s 时，织物的导电性和耐摩擦性能相对较好。

表4 固化时间对棉织物导电性能的影响

2.2 SEM

由图1a 可知，未整理棉织物的纤维束清晰可见。由图1b、图1c 可知，UV 光固化炭黑整理的棉织物表面覆盖了一层炭黑和黏合剂形成的薄膜，且炭黑用量越多，薄膜的厚度和炭黑的裸露度越高，证实了炭黑在棉织物表面的沉积。

图1 棉织物整理前后的SEM（×2 000）

2.3 耐洗性

由表5 可知，水洗后织物的表面电阻变化不大，说明由1173、炭黑、TMPTA、PUA 组成的色浆经光固化形成的涂层耐洗性较好，涂层在水中不易脱落。

表5 水洗次数对棉织物导电性能的影响

3 结论

（1）由光引发剂1173、炭黑、TMPTA、PUA 组成的色浆经光固化后能赋予棉织物一定的导电性。织物的导电性随炭黑用量的增加而增强，PUA 和TMPTA在光引发剂的作用下交联聚合形成薄膜，使炭黑附着在棉织物上；导电性随固化时间的延长而变差。

（2）水洗后的织物表面电阻变化较小，说明整理织物的导电耐洗性好。

（3）导电炭黑色浆光固化印制棉织物的优化工艺：光引发剂1173、炭黑、PUA 质量比11.1∶10.7∶3.4，固化时间15 s，此时整理棉织物获得了良好的导电性和耐洗性。