一种低成本、防静电的涤纶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低成本、防静电的涤纶及其制备方法，通过选择特定DBP值的炭黑以特定比例与碳纳米管复配，形成了纳米复合结构，具有良好的导电性。再将其与对苯二甲酸、乙二醇进行原位共聚、熔融纺丝后，可制备具有长效防静电的复合涤纶纤维。本发明专利技术在仅添加微量碳纳米管和少量炭黑下，既可使传统涤纶呈现优异的防静电效果，并且产品可纺性好，性能稳定，成本低，工业化难度小，具有显著的实用价值。

A Low Cost Antistatic Polyester Fiber and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种低成本、防静电的涤纶及其制备方法
本专利技术属于纤维领域，尤其涉及一种低成本、防静电的涤纶及其制备方法。
技术介绍
日常生活中，两种不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电现象，这是由于一个物体失去一定电荷后带正电，而另一个物体得到电荷带负电，这些电荷难以简单中和，便会逐渐累积形成静电。日常生活中形成静电的最主要途径是摩擦、感应和传导三种。静电本身是一种非常常见的现象，但是当静电在积累并剧烈释放时，极易引发电路击穿、信息干扰、火灾、电击等现象，轻则使人体产生不适，增大灰尘吸附而使环境变脏，重则干扰电磁信号，引发头晕、头痛，击穿电子元器件，甚至引发爆炸和火灾。消除静电的主要方法是提高材料的电导率，使多余电荷从物体表面传递出去或中和。目前常用的导电添加剂包括金属纤维、碳纤维、复合导电纤维、导电高分子、纳米碳颗粒等，从性价比角度考虑，炭黑这种具有多孔纳米碳结构的导电材料是最具竞争力的防静电添加材料。已有许多研究和报道证实炭黑可以有效提升高分子材料的防静电效果，然而，单一添加炭黑往往需要较高的添加量(大于5％)才能实现效果，而在这样大的添加量下，复合材料的力学性能很可能收到影响，并且由于炭黑团簇体的存在，将复合材料加工成纤维和薄膜等材料存在产品均一性差、强度低等缺陷。碳纳米管是近年来最受热捧的导电添加材料之一，具有尺寸小、高长径比、高强度、高电导率、化学稳定性好和低密度的优点。碳纳米管是一种一维纳米碳材料，在沿纳米管方向电子可以快速运动，形成一维导电通路，因此将碳纳米管沿同一方向排列形成的碳纳米管纤维具有高强度、高电导率的特性，被认为是下一代电输送材料的最佳选择。同时，将碳纳米管分散于聚合物基体中，一维碳管可通过搭接、缠结等形式形成三维网络结构，从而有效提升聚合物基体的电导率。然而，由于碳纳米管比表面积大，具有超高的长径比，并且未修饰的碳纳米管之间具有强烈的范德华力作用，使得碳纳米管互相缠结，难以分离，形成团状或束状聚集体，从而呈现出较差的分散效果，制约了其性能的充分发挥。将碳纳米管羧化后，可使其表面带有丰富的含氧官能团，从而可以在水等溶剂中稳定分散，有助于其在复合材料中的分散性，然而羧化会破坏碳纳米管本身的规则结构，降低本征电导率，也不利于性能的发挥。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的技术不足，提供一种低成本、防静电的涤纶及其制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种低成本、防静电的涤纶，至少包括接枝有PET分子的碳纳米管、纳米炭黑和游离的PET分子，纳米炭黑附着于碳纳米管的表面；纳米炭黑包含高DBP值纳米炭黑和低DBP值纳米炭黑，低DBP值纳米炭黑的添加量是高DBP值纳米炭黑的3～5倍(质量比)，纳米炭黑与碳纳米管的质量比为1.2～2.4:0.04～0.2；石墨烯在涤纶中的质量含量为0.04～0.2％。进一步地，所述碳纳米管的缺陷位点处富集低DBP值纳米炭黑，所述碳纳米管为单壁或多壁碳管，长度为1～15微米。进一步地，所述高DBP值纳米炭黑的DBP值为360～400，低DBP值纳米炭黑的DBP值为200～280。一种低成本、防静电的涤纶的制备方法，包括以下步骤：(1)将5质量份羧化碳管的水分散液、0.05-0.3质量份分子量调节剂、100质量份的对苯二甲酸加入46质量份的乙二醇中，高速(300～500rpm)搅拌混匀形成分散液。所述羧化碳管的碳氧比为2.5到6之间，羧化碳管水分散液的质量浓度为0.8％～4％；(2)将低DBP值纳米炭黑和高DBP值纳米炭黑按3～5:1的比例混合后加入步骤(1)所得的混合液中，通过乳化均质机进行分散，其中混合纳米炭黑总重为1.2～2.4质量份；(3)在氮气保护下，将步骤(2)所得分散液加入缩聚反应釜中，并加入0.018重量份催化剂并搅拌均匀，升温至250℃酯化反应；随后升温至285℃并抽真空，反应进行至体系不再放热，将聚合物熔体经水冷造粒得到防静电复合PET切片；(4)将步骤(3)所得切片进行高速纺丝，得到防静电复合涤纶。熔体温度为270-300℃，连续纺丝速度为2000-5000米/分钟，牵伸倍数为3-6倍。进一步地，所述步骤(1)的碳纳米管为单壁或多壁碳管，长度为1～15微米。进一步地，所述步骤(2)的高DBP值纳米炭黑的DBP值为360～400，低DBP值纳米炭黑的DBP值为200～280。本专利技术的有益效果在于：(1)巧妙设计了具有不同结构度纳米炭黑和碳纳米管的复合结构。首先，由于炭黑处于纳米级尺寸，在对苯二甲酸/乙二醇混合体系中，炭黑会选择性富集于碳纳米管表面，如图1所示的复合管结构。其次，低DBP值炭黑具有低结构度，即结构偏致密，多孔结构偏少，能修补羧化碳纳米管表面的缺陷，提升羧化碳纳米管的本征电导率，而高DBP值的炭黑具有更为伸展的微结构，空隙发达，在贴附于羧化碳纳米管表面时会向外伸展，有助于界面电荷传递和导电网络的形成。本专利技术通过反复调整羧化碳纳米管、高DBP炭黑和低DBP炭黑的配比，发现在特定配比下具有不同结构度的纳米炭黑和羧化碳纳米管能产生意想不到的协同效应，最终实现复合纤维的防静电效果(表1)。(2)纳米炭黑均匀贴附于羧化碳纳米管表面，借助羧化碳纳米管表面丰富的含氧官能团在对苯二甲酸/乙二醇混合体系中均匀分散，如图2所示。在原位聚合过程中，对苯二甲酸和乙二醇与这些含氧官能团发生共价接枝反应，一方面防止了羧化碳纳米管之间的缠结，使得羧化碳纳米管-纳米炭黑复合结构能实现分子级分散，另一方面共价接枝的存在使得相界面上的电荷转移更为容易，也有利于电导率的降低。此外，羧化碳纳米管的均匀分散有利于复合纤维的连续化制备，即使在高速纺丝下仍保持高连续性和高稳定性，产品质量好。(3)碳纳米管和炭黑通过共聚形式均匀分散在PET基体内部，并形成导电网络，即使经过长期使用和水洗仍可保持电导率不衰减，具有高耐用性。(4)碳纳米管和炭黑的加入还能赋予涤纶纤维原本没有的性能，如远红外发射、抗菌、防紫外等。(5)纤维中碳纳米管含量在0.2％以下，纳米炭黑总添加量仅为1.2～2.4％，整体添加量显著低于市场同类产品和报道值，成本低，对聚合、纺丝工艺的影响很低，易于工业化生产。综上，利用本方法得到的复合纤维制备简单，防静电性能优异，耐用性好，成本低廉，相比传统纤维具有显著优势，具有广阔的市场前景和应用价值。附图说明图1为复合纤维的局部结构示意图，其中1为接枝有PET的碳纳米管，2为游离的PET。图2为复合纤维的微观组成示意图，其中1为接枝有PET分子的碳纳米管，2为接枝的PET分子，3为碳纳米管表面的缺陷，4为低结构度炭黑，5为高结构度炭黑。具体实施方式本专利技术首先将羧化碳纳米管和对苯二甲酸、乙二醇进行混合，使羧化碳纳米管均匀分散在聚合单体中。随后加入具有不同DBP值的纳米炭黑，一起进行高速剪切分散，在此过程中，炭黑选择性吸附于羧化碳纳米管表面形成复合结构，在剪切作用下这种复合碳结构可以均匀分散，不发生团聚现象。然后体系升温，进行酯化和缩聚反应，羧化碳纳米管表面的含氧官能团与PET分子发生共价接枝，羧化碳纳米管表面的缺陷和官能团在受热下得到一定程度的还原，最终得到如图1所示的纳米复合结构。羧化碳纳米管上低结构度的炭黑起到修复缺陷，提升电导率的目的，高结构度的炭黑增大了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低成本、防静电的涤纶，其特征在于，至少包括接枝有PET分子的碳纳米管、纳米炭黑和游离的PET分子，纳米炭黑附着于碳纳米管的表面；纳米炭黑包含高DBP值纳米炭黑和低DBP值纳米炭黑，低DBP值纳米炭黑的添加量是高DBP值纳米炭黑的3～5倍(质量比)，纳米炭黑与碳纳米管的质量比为1.2～2.4:0.04～0.2；石墨烯在涤纶中的质量含量为0.04～0.2％。

【技术特征摘要】
1.一种低成本、防静电的涤纶，其特征在于，至少包括接枝有PET分子的碳纳米管、纳米炭黑和游离的PET分子，纳米炭黑附着于碳纳米管的表面；纳米炭黑包含高DBP值纳米炭黑和低DBP值纳米炭黑，低DBP值纳米炭黑的添加量是高DBP值纳米炭黑的3～5倍(质量比)，纳米炭黑与碳纳米管的质量比为1.2～2.4:0.04～0.2；石墨烯在涤纶中的质量含量为0.04～0.2％。2.根据权利要求1所述的涤纶，其特征在于，所述碳纳米管的缺陷位点处富集低DBP值纳米炭黑，所述碳纳米管为单壁或多壁碳管，长度为1～15微米。3.根据权利要求1所述的涤纶，其特征在于，所述高DBP值纳米炭黑的DBP值为360～400，低DBP值纳米炭黑的DBP值为200～280。4.一种低成本、防静电的涤纶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将5质量份羧化碳管的水分散液、0.05-0.3质量份分子量调节剂、100质量份的对苯二甲酸加入46质量份的乙二醇中，高速(300～500rpm)搅拌混匀形成分散液...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈琛，韩燚，高超，
申请(专利权)人：杭州高烯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33