CNTs包覆功能性粘胶/羊毛混纺纱性能研究

文 | 孙玮辰 张 硕 明津法

在智能纺织产品研发中，导电纱线可用于信号传输、摩擦发电、智能传感、电磁屏蔽等。导电纱线一般包含金属导电纱线、碳基导电纱线以及导电材料（聚苯胺、碳纳米管、石墨烯等）涂覆纱线等。碳纳米管（CNTs）是一种典型的纳米材料，具有优异的力学性能、导电性能及化学性能。WEI等通过将碳纳米管纱线包裹在聚酯复合丝上，制备了高度可拉伸和性能稳定的导电纱线，研究发现，包覆纱线在205 V电压下具有稳定的温度（5.1 ℃）和较高的快速电热响应（2 s）。TANG等通过静电纺丝制备了一种高拉伸性和导电性的多维碳基纳米材料/聚氨酯复合纳米纤维纱线，研究发现，经质量分数为3.0%的CNTs处理后，纤维电导率为0.154 S/cm。

本文通过氢氧化钠（NaOH）预处理功能性粘胶（薄荷改性粘胶纤维、艾草改性粘胶纤维）/羊毛混纺纱，并负载CNTs制备成导电纱线，研究混纺纱的混纺比、功能性粘胶种类等对纱线微观形貌、聚集态结构及导电性能的影响。

1 实验部分

1.1 原料及药品

羊毛（线密度1.25 dtex，长度40 mm）、艾草改性粘胶纤维（线密度1.33 dtex，长度38 mm）、薄荷改性粘胶纤维（线密度1.33 dtex，长度38 mm）、薄荷粘胶纤维/羊毛混纺纱线和艾草粘胶纤维/羊毛混纺纱线（混纺比分别为50/50、80/20，盐城融凡纺织有限公司）。羧基化碳纳米管（纯度＞99%，四川成都中科时代纳米材料有限公司）、聚乙烯醇（PVA，国药化学试剂）、氢氧化钠（NaOH，分析纯，阿拉丁）、去离子水（实验室自制）。

1.2 仪器及设备

台式扫描电镜仪（SEM，PHENOM WORLD，荷兰）、傅里叶红外光谱仪（Nicolet5700，赛默飞世尔科技公司，美国）、电阻测量仪（DT9205A，中国）、X射线光电子能谱仪（Axis Supra＋，株式会社岛津制作有限公司，日本）等。

1.3 混纺纱线预处理

将制备的不同种类的混纺纱线浸入浓度为0.01%的NaOH溶液中，在25 ℃下对混纺纱线刻蚀30 min后再用去离子水清洗纱线，然后将其置于60 ℃的烘箱中烘干备用。

1.4 导电纱线制备

将实验室自制的去离子水pH值调节为 4，用于配制0.6%的CNTs分散液；再将烘干后的不同混纺比例的纱线分别浸泡在CNTs分散液中（浴比为 1∶30），置于水浴锅中加热搅拌，逐渐升温到80 ℃后持续保温90 min。接着，将PVA和CNTs按照 1∶1 比例混合配制溶液，调节溶液pH值为 4，再将不同混纺比例的纱线浸入PVA/CNTs混合溶液，在80 ℃下进行保温处理，得到导电纱线。

1.5 测试与表征

形貌表征：选取经过NaOH溶液及CNTs处理后的混纺纱线各喷金60 s，分别在放大倍数为1 500、3 000、5 000倍进行扫描电镜测试（电压10 kV），观察其表面形貌。

红外光谱测试：使用傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪分析预处理后和负载CNTs的混纺纱线，波数测量范围为500 ～ 4 000 cm-1，32次扫描，分辨率 4 cm-1。

X射线电子能谱（XPS）测试：采用X射线光电子能谱分析仪测试纱线表面各元素的相对含量。

导电性能测试：采用数字万用表分别测量所有种类混纺纱线表面电阻，测试长度为 5 mm，每根纱线均选取5 处不同位置进行纱线表面电阻测量并取平均值。

2 结果与讨论

2.1 形貌分析

经NaOH溶液及CNTs处理后的两种混纺纱线的扫描电镜图分别如图1 和图2 所示，由图1 和图2 可以看出，经过NaOH溶液刻蚀后，羊毛纤维表面鳞片存在不同程度的破坏（图1（a）、图2（a）），这更有利于后续CNTs在纤维表面的附着。由于羊毛和粘胶纤维回潮率及表面性质的差异性，因此无论是艾草改性粘胶纤维还是薄荷改性粘胶纤维，其相比羊毛表面的CNTs含量均较少。当两种功能性粘胶纤维与羊毛的混纺比例相同时（50/50），相比于薄荷改性粘胶纤维/羊毛混纺纱，艾草改性粘胶纤维/羊毛混纺纱线表面附着了相对更多的CNTs。

2.2 红外光谱分析

图3 和图4 分别为艾草改性粘胶纤维/羊毛、薄荷改性粘胶纤维/羊毛混纺纱（50/50）的红外光谱图。由图3和图4 可知，经过CNTs处理前后的混纺纱线，红外光谱图较为相似，表明附着在纱线表面的CNTs并未改变纱线内艾草改性粘胶纤维、薄荷改性粘胶纤维及羊毛的聚集态结构。其中，在3 010 ～ 3 670 cm-1波段的吸收峰对应羊毛纤维中N—H和O—H的伸缩振动；1 600 ～ 1 720 cm-1波段的吸收峰对应羊毛纤维中N—H的伸缩振动，1 490 ～1 570 cm-1波段的吸收峰则对应C—N的伸缩振动。

图3 艾草改性粘胶纤维/羊毛FTIR谱图

图4 薄荷改性粘胶纤维/羊毛FTIR谱图

2.3 XPS分析

对薄荷改性粘胶纤维/羊毛、艾草改性粘胶纤维/羊毛混纺纱进行XPS测试分析，结果如图5 和图6 所示。由图5 和图6 可知，不论是薄荷改性粘胶纤维和羊毛的混纺纱线还是艾草改性粘胶纤维与羊毛的混纺纱线，经过CNTs处理后，O元素含量增加明显，S元素含量明显减少，这可能是因为在CNTs浸泡纱线之前，NaOH的刻蚀作用使得羊毛组分纱线表面的S—S键发生断裂，从而导致S元素含量下降，同时在纱线表面引入了羟基，后续又将其浸泡在CNTs分散液中，从而在纱线表面引入了羧基，使得混纺纱线C元素、O元素含量升高，同时也通过羧基与羟基的化学反应提高了CNTs的负载量。

图5 薄荷改性粘胶纤维/羊毛混纺纱表面元素分析

图6 艾草改性粘胶纤维/羊毛混纺纱表面元素分析

2.4 导电性能

负载CNTs后混纺纱的导电性能采用 5 mm长度的电阻值进行表征，结果表明，无论是哪种功能性粘胶纤维与羊毛混纺，混纺比为50/50的情况下纱线表面电阻值最大，此时，艾草改性粘胶纤维/羊毛混纺纱的电阻值为2 050 kΩ，薄荷改性粘胶纤维/羊毛混纺纱的电阻值为3 025 kΩ，这主要是由于纱线的电阻与其表面附着CNTs的含量有关，CNTs含量越高，纱线电阻值就越小，而混纺纱中羊毛含量的减少导致了CNTs的负载量增加。相应地，混纺比为80/20的艾草改性粘胶纤维/羊毛、薄荷改性粘胶纤维/羊毛混纺纱的电阻值分别下降至105 、40 kΩ，导电性能增强。

3 结论

本文以功能性粘胶（艾草改性粘胶纤维、薄荷改性粘胶纤维）/羊毛混纺纱为基材，通过NaOH预处理、CNTs溶液处理后制得导电纱线。随着混纺纱中羊毛混纺比例的增加，纱线表面包覆的CNTs含量下降，导致纱线的电阻值急剧增大，在混纺比为50/50时，艾草改性粘胶纤维/羊毛混纺纱和薄荷改性粘胶纤维/羊毛混纺纱的电阻值分别达到2 050和3 025 kΩ。因此，可通过混纺纱中增加功能性粘胶的混纺含量，提升CNTs的负载量，增强混纺纱的导电性能。