聚丙烯/掺锑二氧化锡纳米复合导电纤维的结构与性能研究*

2011-07-03张慧勤李爱梅

河南城建学院学报 2011年5期

张慧勤，李爱梅

(中原工学院材料与化工学院，河南郑州450007)

聚丙烯(PP)纤维强力高、韧性弹性佳、质量轻、保暖性好、抗摩擦性优异，但其导热性差，吸湿性差，极易产生静电。因此，对纤维进行抗静电改性已成为当前纤维工业发展的重要方向。纳米掺锑二氧化锡(Antimony Doped Tin Oxide，简称ATO)是一种N型半导体材料，与传统的抗静电材料相比，纳米ATO导电粉体具有明显的优势，主要表现在良好的导电性，浅色透明性，良好的耐候性和稳定性以及低的红外发射率等方面，是一种极具发展潜力的新型多功能导电材料［1～3］。但由于其无机纳米材料本身的极性和颗粒细微化，因而具有极大的比表面积和较高的比表面能，使它们不易在介质中分散，这导致了纳米ATO在高聚物中的实际应用困难，因而在纳米ATO的开发过程中必须解决这一关键的瓶颈问题［4］。本研究首先采用溶液成型的方式制备PP/ATO复合材料，然后将其进行熔融纺丝制备复合导电纤维，研究了复合导电纤维的结构与性能。

1 实验部分

1.1 PP/ATO复合纤维的制备

将准确称量的纳米ATO(粒径≤100 nm，比表面积70～80 m2/g，江苏河海纳米科技股份有限公司)加入到一定量的二甲苯中，用超声波清洗器进行超声处理1 h;将聚丙烯颗粒按比例加入二甲苯中，于三口瓶加热至完全溶解。将两种溶液混合，超声分散得到混合溶液，将混合溶液滴加到过量的乙醇中，溶液絮凝后真空干燥，得到PP/ATO复合材料。将复合材料在实验室小型熔融纺丝机进行纺丝，得到PP/ATO复合纤维。

1.2 试样测试

扫描电镜(SEM)测试：将试样置于液氮中冷冻，然后迅速脆断，经真空镀金后采用扫描电镜观察。利用YG321型纤维比电阻仪测试纤维的比电阻。纤维力学性能测试：用LLY206型电子纤维强力仪对纤维试样的力学性能进行测试。纤维的热失重性能采用美国DMPontl090型热分析仪测试，升温速度10℃/min。

2 结果与讨论

2.1 PP/ATO复合纤维的导电性能

PP/ATO复合纤维中ATO质量分数与导电性的关系如图1所示。从图1可以看出，纤维的电阻在ATO质量分数较低时下降幅度较大：随着ATO质量分数的增加，纤维电阻的下降变得缓慢。这是因为体系中ATO纳米粒子只有相互接触或粒子间距较小时电子转移才能发生，即要求当体系中含有一定质量分数的ATO纳米粒子时纤维才具有导电性。随着ATO质量分数的增加ATO粒子在体系中逐渐相互接触形成网络结构，导致纤维电阻迅速下降。当ATO的网络已经基本形成，导电通路已基本完善，此时再增加ATO的质量分数对电子转移的贡献已不明显，因此，纤维电阻率的变化明显减缓。当ATO的质量分数为7.5%时，复合纤维的电导率可达10－6S/cm。

2.2 WAXD 分析

广角X射线衍射表征研究了纳米ATO的加入对PP结晶的影响，图2分别列出了纯PP(曲线a)、纳米ATO(曲线b)、ATO质量分数为5%(曲线c)及ATO质量分数为10%(曲线d)的X-ray衍射图谱。纯 PP 含有5 个尖锐 a 晶系的主衍射峰，峰位置在14.14、16.9、18.60、21.2、21.9，对应于(110)、(040)、(130)、(111)、(131)晶面的衍射峰。曲线c与曲线d中的衍射峰基本是a和b的叠加，可见在共混的过程中聚丙烯加入纳米ATO前后晶型结构基本没有发生变化，只是(040)面的相对峰高增加了，说明纳米ATO的加入有利于晶体沿(040)面生长。这很有可能是ATO进入到复合材料的晶格中，起到了异相成核的作用，促进了复合材料沿(040)面生长。

图1 PP/ATO复合纤维中ATO质量分数与导电性的关系

图2 PP/ATO复合纤维X-衍射图谱

2.3 PP/ATO复合纤维的微观形貌

图3为ATO的质量分数为7.5%的复合纤维的表面和截面的扫描电镜照片。从纤维的表面电镜照片可以看出，复合纤维的表面与纯PP纤维的表面相似，都比较干净和光滑。从纤维的截面扫描电镜照片可以看出，纳米ATO在聚合物基体中分散比较均匀，没有明显的团聚现象，这说明首先采用溶液共混制备复合材料，在将复合材料进行纺丝比较好的避免了ATO的团聚。

2.4 复合材料的热失重分析

PP及w(ATO)=7.5%的PP/ATO复合纤维的热失重曲线见图4。从图4可以看出，可以看到加入ATO后的PP的热稳定性高于纯组分，热分解温度明显向高温移动，且失重速率减慢，失重量减小。类似的基体材料热稳定性能随着无机纳米材料的引入而提高的例子很多，这些材料通过与纳米材料的负荷，由于基体和纳米材料间不同的相互作用，导致各种物理交联的形成，使基体的抗热变形能力增加。