抗靜電腈綸用納米金屬氧化物的分散工藝研究

陳道江

(中國石化上海石油化工股份有限公司腈綸部，上海200540)

聚丙烯腈(PAN)纖維具有質地蓬松、手感柔軟、密度小、保暖性好、回彈性高等優良的性能，在工業和民用領域都得到了廣泛的應用。然而，由于PAN纖維固有的疏水性和絕緣性，其靜電現象嚴重，研究開發具有抗靜電性能的PAN纖維具有重要的意義。國內外PAN纖維的抗靜電技術主要包括表面處理、共混和聚合改性［1－6］。共混法是制備抗靜電PAN纖維的主要方法，采用的抗靜電劑主要有兩類:一類是炭黑填充劑，紡制的纖維為黑色，其應用受到一定的限制;另一類是納米金屬氧化物，可用于生產白色和淺色的纖維。納米金屬氧化物在紡絲原液中的分散性是阻礙其應用的關鍵，并影響PAN纖維抗靜電效果［7－9］。

作者選擇了納米氧化鋅(ZnO)、鋁摻雜的氧化鋅(AZO)、氧化錫銻(ATO)以及ATO包覆硫酸鋇(BaSO4)的4種納米金屬氧化物抗靜電劑，研究了不同分散劑等助劑對納米粉體在水相中分散性的影響，進而研究了不同抗靜電劑對PAN纖維抗靜電性能的影響。

1 實驗

1.1 原料

PAN原液:固含量12%，中國石化上海石化股份有限公司產;凝固浴:NaSCN質量分數11%，自制;ZnO:平均粒徑 60 nm，電阻率 1×108Ω·cm，純度大于97.0%，江蘇河海納米科技股份有限公司產;AZO:平均粒徑60 nm，電阻率1×105Ω·cm，純度大于99.9%，北京冶科納米科技有限公司產;ATO:平均粒徑60 nm，電阻率1×103Ω·cm，純度大于99.95%，寧波今心新材料科技有限公司產;ATO包覆BaSO4:平均粒徑300 nm，電阻率1×104Ω·cm，純度大于98.0%，自制;脂肪醇聚氧乙烯醚與改性木質素磺酸鈉的復配物(FCY):液體分散劑，自制;聚丙烯酰胺(PAM):相對分子質量3×106，上海化學試劑公司產;聚乙二醇(PEG):相對分子質量2 000，上海化學試劑公司產;γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550):相對分子質量221，上海耀華化工廠產。

1.2 納米粉體抗靜電劑的分散

采用南京大學儀器廠DL357型行星式球磨機分別對4種抗靜電劑納米粉體進行研磨。將蒸餾水、納米粉體和質量分數0.1% ～5.0%分散劑一起混合，得到質量分數20%納米粉體水溶液，球磨1～10 h，得到納米粉體水相懸浮液。

1.3 共混原液及PAN纖維的制備

利用噴霧的方法向PAN原液中加入納米粉體質量分數20%的懸浮液，機械攪拌10 h，攪拌速度800 r/min，溫度60℃。將攪拌完全的共混原液放入真空烘箱，60℃下脫泡48 h，制得改性PAN紡絲原液;然后通過計量泵從噴絲頭擠出，進入溫度為10℃的NaSCN凝固浴中，經適當的負拉伸而形成初生纖維;由導輥拉伸依次通過第一水浴(溫度60℃，拉伸1.5倍)、第二水浴(溫度98℃，拉伸6倍)，然后卷繞，制得抗靜電PAN纖維。

1.4 性能表征

表面形貌:采用日本電子光學公司的JSM-5600LV掃描電子顯微鏡觀察。

體積比電阻:采用上海標卓科學儀器有限公司的YG-32l纖維比電阻儀測試，測試溫度(20±2)℃，相對濕度為(65±10)%，測試前將纖維放在標準溫度和濕度條件下平衡24 h以上。

粉體粒徑:采用英國馬爾文儀器公司的Zetasizer Nano-ZS型納米粒度儀測試。

分散穩定性:采用陰離子型表面活性劑PAM、非離子表面活性劑 PEG、硅烷偶聯劑KH550以及自制的非離子/陰離子型表面活性劑(FCY)對ZnO粉體進行水中研磨分散。水中納米粉體的質量分數為20%，分散劑質量分數(相對于納米粉體)0.1% ～5.0%，球磨3 h后，倒入100 mL試管中，測試靜置不同時間后上清液的體積(沉降體積)來表征分散穩定性。

2 結果與討論

2.1 分散工藝

2.1.1 分散劑種類及濃度

從圖1可以看出:PAM是一種羧基型的陰離子表面活性劑，PAM分子鏈上的側基為活潑的酰胺基，能發生多種化學反應，水溶液中其酰胺基水解而轉化為含有羧基的聚合物;當含量較少時，與ZnO表面少量羥基作用，增大了顆粒間的斥力，起到一定的分散效果，但當PAM含量提高時，由于ZnO表面的活性基團較少，多余的PAM分子在水相中起絮凝的作用，造成PAM分散劑濃度越大，沉降體積反而增大(圖1a);PEG對于納米ZnO的分散效果并不理想，當其質量分數為0.1%時有最小的沉降體積，但沉降48 h后沉降體積仍高達3.5 mL，這是PEG與粉體表面作用力較弱，不能形成穩定的懸浮液的緣故(圖1b);KH550分散的納米ZnO水相懸浮液的沉降體積隨著其含量的增加而減小，KH550質量分數為2%時具有穩定最大值(圖1c)，在質量分數為5%時，12 h的沉降體積只有1.0 mL，但其時效性差，24 h的沉降體積突增至2.6 mL，其值與質量分數為2%時相差無幾，且隨后均保持相對穩定。

圖1 分散劑種類及含量對納米ZnO水懸浮液沉降體積的影響Fig.1 Effects of dispersant variety and content on settlement volume of aqueous nano-ZnO suspension

利用陰離子和非離子表面活性劑復配是粉體分散的一種有效方法，利用實驗室自制的復配FCY活性劑進行分散實驗，當FCY質量分數為0.1%時，12h的沉降體積就已達到4 mL，48h的沉降體積達到了5 mL，當FCY質量分數為0.5%時，一開始有較好的穩定性，12 h的沉降體積為1 mL，但24 h后開始失穩，24 h的沉降體積達到了5 mL;當FCY質量分數為2%時，溶液有良好的穩定性，48 h的沉降僅有0.4 mL;將FCY質量分數提高到5%，沉降體積并沒有明顯降低(圖1d)。由此可見，分散體系對FCY比較敏感，濃度對分散性和穩定性影響非常大，當分散劑質量分數達到2%時，分散體系幾乎沒有沉降，且穩定性好。這是因為FCY中陰離子活性劑和粉體相互作用，而非離子活性劑在水相中穩定。通過對比，可以確定對于納米ZnO的水相分散，FCY質量分數為2%時具有最佳的分散效果。

2.1.2 球磨時間

圖2 球磨時間對納米ZnO在水相中分散穩定性的影響Fig.2 Effect of milling time on dispersion stability of aqueous nano-ZnO suspension

從圖2可以看出，當球磨時間達到3 h后，納米粉體的分散效果較好，隨著球磨時間的增加，分散效果并沒有明顯提高。因此，實驗選擇球磨時間為3 h。球磨的共同作用下，可以獲得單分散的懸浮液，粒徑主要分布在300 nm左右，與原始粒徑基本一致。最佳分散條件為:FCY分散劑質量分數2%，球磨處理時間3 h，并按此球磨工藝制備了4種粉體的分散液，經分散的納米金屬氧化物懸浮液有良好的穩定性，24 h內沉降很小，這說明上述分散工藝有很好的適用性。

圖3 4種懸浮液中粉體的粒徑分布Fig.3 Particle diameter distribution of four kinds of suspension

2.2 粉體對PAN纖維抗靜電性能的影響

從圖4可知，纖維表面都有少量的氧化物顆粒和雜質，纖維直徑為15～20 μm。添加ATO包覆BaSO4粉體的纖維表面比較粗糙，其他3種纖維表面都比較光滑，說明可紡性較好。

2.1.3 分散性對比

從圖3可知:經分散得到的納米ZnO懸浮液中的顆粒粒徑位于0.2 ～1.0 μm，主要分布在500 nm左右;相同研磨工藝下，AZO和ATO具有更好的分散性，其粒徑分布在80～400 nm和60～350 nm，主要分布在170 nm和150 nm左右;納米粉體巨大的表面能使其在水相中容易團聚，盡管經過球磨和表面活性劑處理可以打開納米粉體的軟團聚，但是仍然不能獲得單分散的懸浮液，相對于ZnO，AZO，ATO等納米粉體，ATO包覆 BaSO4粉體的粒徑較大，表面能相對較低，在表面活性劑和

圖4 4種納米粉體抗靜電PAN纖維表面SEM照片Fig.4 Surface SEM micrographs of antistatic PAN fibers containing four kinds of nanoparticles

從圖5可知，在相同添加量條件下，添加ATO對PAN纖維體積比電阻影響最大，主要是因為ATO優異的導電性以及在纖維中良好的分散性。當ATO質量分數為2%時，PAN纖維的體積比電阻由1×1014降低到 3.1×109Ω·cm，纖維抗靜電性能優良，且纖維水洗20次后，體積電阻率無明顯變化，可以滿足抗靜電紡織品對原料的要求。ATO包覆BaSO4雖然可以降低粉體的價格，但可紡性較差，添加后纖維的抗靜電性能也沒有明顯提高，可能是粉體本身的電導率比較低造成的。盡管ZnO是比較常用的抗靜電填料，但是對于PAN纖維而言，利用共混的方法不能獲得滿意的抗靜電效果。

圖5 納米粉體對PAN纖維體積比電阻的影響Fig.5 Effect of nanoparticles on volume specific resistance of PAN fibers

3 結論

a.納米金屬氧化物在含有表面活性劑的水相中球磨分散，最佳工藝條件為分散劑FCY質量分數2%，球磨處理3 h。

b.通過共混紡絲制備了不同納米金屬氧化物改性的抗靜電PAN纖維。添加ATO改性，PAN纖維具有更好的抗靜電性能;當添加ATO質量分數為2%時，PAN纖維的體積比電阻由1×1014Ω·cm下降到3.1×109Ω·cm，可以滿足抗靜電織物對原料的要求。

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