導電芳綸織物的制備工藝優化

婁輝清 徐蓓蕾 秦龍威 劉永昌

（1.河南工程學院，河南鄭州，450007；2.神馬實業股份有限公司，河南平頂山，467021）

芳綸具有強度和模量高、耐酸堿性強、密度低、阻燃及熱穩定性好等優異特性，而芳綸織物具有質輕、柔軟等特點，可作為柔性基材使用。目前，芳綸及其織物已在軍事、航空航天、通訊、電子和防護等高科技領域獲得廣泛應用［1-4］。隨著時代的發展，紡織品已逐漸呈現出智能化的發展趨勢，其中導電織物因在防靜電、電磁屏蔽、傳感器、智能可穿戴等方面展現出巨大的潛力，已成為研究的重點和熱點［5-6］。但芳綸及其織物導電性能較差，其應用領域受到一定限制，若能改善其導電性能，則可在智能可穿戴、傳感器和電磁屏蔽等領域進一步拓寬其應用范圍［7-9］。

導電織物常用的制備方法主要有編織法、浸漬涂層法、原位聚合法、化學鍍膜法、電化學法、表面沉積法、印刷法、炭化法等［10-11］。其中浸漬涂層法是一種制備導電織物較為簡單、易行的方法，該方法不需要特殊的設備，且操作簡單、成本低廉，適用于導電織物的大規模生產［12-13］。但浸漬涂層法獲取的導電織物的導電性能主要取決于導電物質的負載量，而且該方法所獲得導電織物的電阻和耐磨損性能與導電物質的負載量、導電涂層的厚度以及黏結劑的含量相關。由于負載量、涂層厚度等工藝參數不易控制，故所制備的導電織物難以滿足高性能產品的要求，從而大大限制了其應用范圍。

本研究采用正交試驗優化浸漬涂層法制備導電芳綸織物，通過對不同條件下織物導電性能的研究，探索炭黑質量分數、丁腈橡膠質量分數、導電漿料負載量以及涂覆次數等對織物導電性能的影響，從而得到較優的工藝參數，以期制備出導電性能好且穩定的導電芳綸織物。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

材料：芳綸織物（218 g/m2，浙江軒泰新材料有限公司），導電炭黑（F900A，天津億博瑞化工有限公司），液體丁腈橡膠（黏結劑，LNBR33-1，黏度350 Pa·s～450 Pa·s，衡水瑞恩橡塑科技有限公司）。

儀器：FA2004A型電子天平（上海恒平科學儀器有限公司），VC86E型萬用表［VICTOR（中國）有限公司］，DZK-K50B型真空干燥箱（合肥華德利科學器材有限公司），KQ-300DE型超聲波清洗機（昆山市超聲儀器有限公司）。

1.2 導電織物的制備

導電漿料的制備。稱取一定量的導電炭黑加入蒸餾水中，機械攪拌30 min，然后再加入液體丁腈橡膠，機械攪拌15 min，最后超聲分散2 h后即可得到分散均勻的導電漿料。該方法制備的導電漿料穩定時間約為1周。

導電芳綸織物的制備。在室溫條件下，將一定質量的導電漿料均勻涂覆在芳綸織物上，然后在真空干燥箱中60℃條件下烘干。當在織物上多次涂覆導電漿料時需等上一次涂覆的漿料完全干燥后再進行下一次涂覆過程。

1.3 正交試驗

本研究采用四因素四水平正交試驗方案，在前期研究的基礎上，選擇炭黑質量分數、丁腈橡膠質量分數、導電漿料負載量以及涂覆次數作為正交試驗設計的主要影響因素。炭黑質量分數四水平A1、A2、A3、A4依次為5%、10%、15%、20%；丁腈 橡 膠 質 量 分 數 四 水 平B1、B2、B3、B4依 次 為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%；導電漿料負載量四水平C1、C2、C3、C4依次為10%、30%、50%、70%；涂覆次數四水平D1、D2、D3、D4依次為1次、2次、3次、4次。正交試驗方案及試驗結果見表1。

表1 正交試驗設計方案與結果

1.4 性能測試

織物的導電性能用表面電阻來表征。織物的表面電阻采用美國紡織化學師與印染師協會標準AATCC 76《紡織品表面電阻試驗方法》測量。用特制夾頭夾取一定長度、一定寬度的導電織物，將夾頭的兩端連接萬用表，萬用表顯示的讀數就是導電織物的測量電阻，每個樣品取10個不同的位置測量然后取平均值作為最后結果，表面電阻按式（1）計算。

式中：Rs為織物的表面電阻（Ω），R為實際測量電阻（Ω），W為樣品的寬度（cm），D為兩電極之間的長度（cm）。

導電織物的耐洗性能用清洗后織物的表面電阻來表征。將制備好的導電織物在超聲波清洗儀中清洗12 h，然后在真空干燥箱中烘干，測量表面電阻，并計算水洗后表面電阻的變化率。

導電織物的耐磨性能用摩擦后的表面電阻來表征。將制備好的導電織物按照GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》中干摩擦試驗程序進行摩擦，然后測量摩擦后織物的表面電阻，并計算摩擦后織物表面電阻的變化率。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果分析

從表1中各影響因素對織物導電性能的正交試驗結果可以看出，不同條件下所制備的導電織物的表面電阻差別較大，在炭黑質量分數20%、丁腈橡膠質量分數0.9%、導電漿料負載量30%、涂覆4次的條件下，導電芳綸織物的表面電阻最小，為6.7 kΩ。水洗或摩擦對導電芳綸織物的導電性能具有不利影響，經水洗或摩擦后表面電阻均呈現增加的趨勢。

2.2 各影響因素對導電性能的影響

各影響因素對織物導電性能的正交試驗極差分析見表2。

表2 導電性能極差分析結果

從表2中可以看出，對于織物導電性能來說，最優條件為A4B3C3D3，在該條件下制備的導電芳綸織物的導電性能最好，其中炭黑質量分數對導電芳綸織物導電性能的影響程度遠大于其他因素，導電漿料負載量次之，丁腈橡膠質量分數和涂覆次數影響程度相對較小。這主要是因為導電漿料中起導電作用的主要是炭黑，漿料中炭黑質量分數越高，涂覆在織物上的炭黑的量就越大，因此織物的導電性能越好［14］。

2.3 各影響因素對耐洗性能的影響

各影響因素對織物耐洗性能的正交試驗極差分析見表3。

表3 耐洗性能極差分析結果

從表3中可以看出，在各種條件下水洗后織物的表面電阻均比水洗前有所升高，這說明水洗對導電芳綸織物的導電性能有不利影響。在A4B4C3D3水平下，水洗后織物的表面電阻最小。其中炭黑質量分數對導電芳綸織物耐水洗性的影響最大。

2.4 各影響因素對耐磨性能的影響

各影響因素對織物耐磨性能的正交試驗極差分析見表4。

表4 耐磨性能極差分析結果

從表4中可以看出，摩擦后織物的表面電阻均有不同程度的升高，且升高的程度大于水洗，這說明摩擦對導電芳綸織物導電穩定性的影響大于水洗。在A4B4C3D4水平下，摩擦后織物的表面電阻最小，所制備的導電芳綸織物耐摩擦性最好。其中炭黑質量分數對導電芳綸織物耐摩擦性的影響最大。

2.5 最優水平的確定

由上述分析可知，炭黑質量分數對織物導電性能及其穩定性的影響程度最大，導電漿料負載量次之，丁腈橡膠質量分數和涂覆次數最小。在實際操作中，當炭黑質量分數大于20%時，漿料變稠，不能很均勻地涂覆到織物上且容易脫落，故試驗中炭黑質量分數最高為20%。隨著炭黑質量分數的增加，導電芳綸織物自身的表面電阻以及水洗和摩擦后的表面電阻均呈現降低的趨勢，當炭黑質量分數為20%時，表面電阻均最小，因此確定炭黑質量分數最優水平為20%。隨著導電漿料負載量的增加，導電芳綸織物自身的表面電阻以及水洗和摩擦后的表面電阻均呈現先降低后升高的趨勢，當導電漿料負載量為50%時，表面電阻均最小，因此確定導電漿料負載量最優水平為50%。當丁腈橡膠質量分數為1.2%時，織物的耐洗性能和耐磨性能最好，因此確定丁腈橡膠質量分數為1.2%。當涂覆次數為3次時，織物的導電性能和耐洗性能較好，而當涂覆次數為4次時，織物的耐磨性能最優，但與涂覆次數為3次時的差別并不明顯，因此確定涂覆次數為3次。

2.6 導電芳綸織物的穩定性

按照上述最優條件制備導電芳綸織物，綜合考察導電芳綸織物的穩定性，結果見圖1。

圖1 導電織物的穩定性

從圖1中可以看出，在最優條件下所制備的導電芳綸織物表面電阻平均為5.8 kΩ，具有良好的導電性能。水洗或摩擦后導電芳綸織物的表面電阻增大，并且隨著水洗或摩擦次數的增加，導電芳綸織物的表面電阻呈現逐漸增加趨勢，經過50次水洗或摩擦后，導電芳綸織物的表面電阻由5.8 kΩ分別增大至28.5 kΩ和39.8 kΩ，織物的導電性能未受到明顯破壞，這說明本試驗所制備的導電芳綸織物具有較強的穩定性，能夠滿足實際使用要求。

3 結論

（1）炭黑質量分數、丁腈橡膠質量分數、導電漿料負載量以及涂覆次數對導電芳綸織物的導電性能具有較大的影響，其中炭黑質量分數對導電芳綸織物的影響程度遠大于其他因素，導電漿料負載量次之，丁腈橡膠質量分數和涂覆次數影響程度相對較小。

（2）制備導電芳綸織物的最優條件為炭黑質量分數20%、丁腈橡膠質量分數1.2%、導電漿料負載量50%、涂覆次數3次，在該條件下所制備的導電芳綸織物導電性能優異，且耐水洗性能和耐摩擦性較好，具有較好的穩定性。