CNTs包覆功能性粘膠/羊毛混紡紗性能研究

文 | 孫瑋辰 張 碩 明津法

在智能紡織產(chǎn)品研發(fā)中，導(dǎo)電紗線可用于信號(hào)傳輸、摩擦發(fā)電、智能傳感、電磁屏蔽等。導(dǎo)電紗線一般包含金屬導(dǎo)電紗線、碳基導(dǎo)電紗線以及導(dǎo)電材料（聚苯胺、碳納米管、石墨烯等）涂覆紗線等。碳納米管（CNTs）是一種典型的納米材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能及化學(xué)性能。WEI等通過(guò)將碳納米管紗線包裹在聚酯復(fù)合絲上，制備了高度可拉伸和性能穩(wěn)定的導(dǎo)電紗線，研究發(fā)現(xiàn)，包覆紗線在205 V電壓下具有穩(wěn)定的溫度（5.1 ℃）和較高的快速電熱響應(yīng)（2 s）。TANG等通過(guò)靜電紡絲制備了一種高拉伸性和導(dǎo)電性的多維碳基納米材料/聚氨酯復(fù)合納米纖維紗線，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的CNTs處理后，纖維電導(dǎo)率為0.154 S/cm。

本文通過(guò)氫氧化鈉（NaOH）預(yù)處理功能性粘膠（薄荷改性粘膠纖維、艾草改性粘膠纖維）/羊毛混紡紗，并負(fù)載CNTs制備成導(dǎo)電紗線，研究混紡紗的混紡比、功能性粘膠種類等對(duì)紗線微觀形貌、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及藥品

羊毛（線密度1.25 dtex，長(zhǎng)度40 mm）、艾草改性粘膠纖維（線密度1.33 dtex，長(zhǎng)度38 mm）、薄荷改性粘膠纖維（線密度1.33 dtex，長(zhǎng)度38 mm）、薄荷粘膠纖維/羊毛混紡紗線和艾草粘膠纖維/羊毛混紡紗線（混紡比分別為50/50、80/20，鹽城融凡紡織有限公司）。羧基化碳納米管（純度＞99%，四川成都中科時(shí)代納米材料有限公司）、聚乙烯醇（PVA，國(guó)藥化學(xué)試劑）、氫氧化鈉（NaOH，分析純，阿拉?。?、去離子水（實(shí)驗(yàn)室自制）。

1.2 儀器及設(shè)備

臺(tái)式掃描電鏡儀（SEM，PHENOM WORLD，荷蘭）、傅里葉紅外光譜儀（Nicolet5700，賽默飛世爾科技公司，美國(guó)）、電阻測(cè)量?jī)x（DT9205A，中國(guó)）、X射線光電子能譜儀（Axis Supra＋，株式會(huì)社島津制作有限公司，日本）等。

1.3 混紡紗線預(yù)處理

將制備的不同種類的混紡紗線浸入濃度為0.01%的NaOH溶液中，在25 ℃下對(duì)混紡紗線刻蝕30 min后再用去離子水清洗紗線，然后將其置于60 ℃的烘箱中烘干備用。

1.4 導(dǎo)電紗線制備

將實(shí)驗(yàn)室自制的去離子水pH值調(diào)節(jié)為 4，用于配制0.6%的CNTs分散液；再將烘干后的不同混紡比例的紗線分別浸泡在CNTs分散液中（浴比為 1∶30），置于水浴鍋中加熱攪拌，逐漸升溫到80 ℃后持續(xù)保溫90 min。接著，將PVA和CNTs按照 1∶1 比例混合配制溶液，調(diào)節(jié)溶液pH值為 4，再將不同混紡比例的紗線浸入PVA/CNTs混合溶液，在80 ℃下進(jìn)行保溫處理，得到導(dǎo)電紗線。

1.5 測(cè)試與表征

形貌表征：選取經(jīng)過(guò)NaOH溶液及CNTs處理后的混紡紗線各噴金60 s，分別在放大倍數(shù)為1 500、3 000、5 000倍進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試（電壓10 kV），觀察其表面形貌。

紅外光譜測(cè)試：使用傅里葉變換紅外（FTIR）光譜儀分析預(yù)處理后和負(fù)載CNTs的混紡紗線，波數(shù)測(cè)量范圍為500 ～ 4 000 cm-1，32次掃描，分辨率 4 cm-1。

X射線電子能譜（XPS）測(cè)試：采用X射線光電子能譜分析儀測(cè)試紗線表面各元素的相對(duì)含量。

導(dǎo)電性能測(cè)試：采用數(shù)字萬(wàn)用表分別測(cè)量所有種類混紡紗線表面電阻，測(cè)試長(zhǎng)度為 5 mm，每根紗線均選取5 處不同位置進(jìn)行紗線表面電阻測(cè)量并取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌分析

經(jīng)NaOH溶液及CNTs處理后的兩種混紡紗線的掃描電鏡圖分別如圖1 和圖2 所示，由圖1 和圖2 可以看出，經(jīng)過(guò)NaOH溶液刻蝕后，羊毛纖維表面鱗片存在不同程度的破壞（圖1（a）、圖2（a）），這更有利于后續(xù)CNTs在纖維表面的附著。由于羊毛和粘膠纖維回潮率及表面性質(zhì)的差異性，因此無(wú)論是艾草改性粘膠纖維還是薄荷改性粘膠纖維，其相比羊毛表面的CNTs含量均較少。當(dāng)兩種功能性粘膠纖維與羊毛的混紡比例相同時(shí)（50/50），相比于薄荷改性粘膠纖維/羊毛混紡紗，艾草改性粘膠纖維/羊毛混紡紗線表面附著了相對(duì)更多的CNTs。

2.2 紅外光譜分析

圖3 和圖4 分別為艾草改性粘膠纖維/羊毛、薄荷改性粘膠纖維/羊毛混紡紗（50/50）的紅外光譜圖。由圖3和圖4 可知，經(jīng)過(guò)CNTs處理前后的混紡紗線，紅外光譜圖較為相似，表明附著在紗線表面的CNTs并未改變紗線內(nèi)艾草改性粘膠纖維、薄荷改性粘膠纖維及羊毛的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。其中，在3 010 ～ 3 670 cm-1波段的吸收峰對(duì)應(yīng)羊毛纖維中N—H和O—H的伸縮振動(dòng)；1 600 ～ 1 720 cm-1波段的吸收峰對(duì)應(yīng)羊毛纖維中N—H的伸縮振動(dòng)，1 490 ～1 570 cm-1波段的吸收峰則對(duì)應(yīng)C—N的伸縮振動(dòng)。

圖3 艾草改性粘膠纖維/羊毛FTIR譜圖

圖4 薄荷改性粘膠纖維/羊毛FTIR譜圖

2.3 XPS分析

對(duì)薄荷改性粘膠纖維/羊毛、艾草改性粘膠纖維/羊毛混紡紗進(jìn)行XPS測(cè)試分析，結(jié)果如圖5 和圖6 所示。由圖5 和圖6 可知，不論是薄荷改性粘膠纖維和羊毛的混紡紗線還是艾草改性粘膠纖維與羊毛的混紡紗線，經(jīng)過(guò)CNTs處理后，O元素含量增加明顯，S元素含量明顯減少，這可能是因?yàn)樵贑NTs浸泡紗線之前，NaOH的刻蝕作用使得羊毛組分紗線表面的S—S鍵發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致S元素含量下降，同時(shí)在紗線表面引入了羥基，后續(xù)又將其浸泡在CNTs分散液中，從而在紗線表面引入了羧基，使得混紡紗線C元素、O元素含量升高，同時(shí)也通過(guò)羧基與羥基的化學(xué)反應(yīng)提高了CNTs的負(fù)載量。

圖5 薄荷改性粘膠纖維/羊毛混紡紗表面元素分析

圖6 艾草改性粘膠纖維/羊毛混紡紗表面元素分析

2.4 導(dǎo)電性能

負(fù)載CNTs后混紡紗的導(dǎo)電性能采用 5 mm長(zhǎng)度的電阻值進(jìn)行表征，結(jié)果表明，無(wú)論是哪種功能性粘膠纖維與羊毛混紡，混紡比為50/50的情況下紗線表面電阻值最大，此時(shí)，艾草改性粘膠纖維/羊毛混紡紗的電阻值為2 050 kΩ，薄荷改性粘膠纖維/羊毛混紡紗的電阻值為3 025 kΩ，這主要是由于紗線的電阻與其表面附著CNTs的含量有關(guān)，CNTs含量越高，紗線電阻值就越小，而混紡紗中羊毛含量的減少導(dǎo)致了CNTs的負(fù)載量增加。相應(yīng)地，混紡比為80/20的艾草改性粘膠纖維/羊毛、薄荷改性粘膠纖維/羊毛混紡紗的電阻值分別下降至105 、40 kΩ，導(dǎo)電性能增強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文以功能性粘膠（艾草改性粘膠纖維、薄荷改性粘膠纖維）/羊毛混紡紗為基材，通過(guò)NaOH預(yù)處理、CNTs溶液處理后制得導(dǎo)電紗線。隨著混紡紗中羊毛混紡比例的增加，紗線表面包覆的CNTs含量下降，導(dǎo)致紗線的電阻值急劇增大，在混紡比為50/50時(shí)，艾草改性粘膠纖維/羊毛混紡紗和薄荷改性粘膠纖維/羊毛混紡紗的電阻值分別達(dá)到2 050和3 025 kΩ。因此，可通過(guò)混紡紗中增加功能性粘膠的混紡含量，提升CNTs的負(fù)載量，增強(qiáng)混紡紗的導(dǎo)電性能。