聚酯纖維抗靜電改性的研究進程范文

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《聚酯工業》2017年第4期

摘要：綜述了聚酯纖維抗靜電改性的研究進展，根據改性實施階段分別從聚合階段、紡絲階段和纖維或織物后整理3方面進行闡述，評述了各種改性方法的優缺點，并指出舒適性、耐久性、工業化是抗靜電聚酯纖維未來發展不可或缺的趨勢。

關鍵詞：聚酯纖維；抗靜電；改性

聚酯纖維（滌綸）廣泛應用于服裝、家飾以及其他工業領域。然而聚酯纖維的大分子間以共價鍵相互連接，不能電離，也不能傳遞電子和離子，另外其分子基團極性較小，屬于疏水性纖維，從而易產生靜電[1]。靜電不僅對聚酯纖維的生產過程造成困難，使織物相互纏繞、吸塵，而且還會使服裝糾纏人體，產生不適感，此外，靜電還是引起火災、爆炸等事故的主要誘發原因之一，從而限制了聚酯纖維的應用。因此為了拓展聚酯纖維的應用，對其進行抗靜電改性顯得尤為重要。標準狀況下的普通合成纖維的體積比電阻為1013Ω•cm以上，屬于絕緣材料，經抗靜電改性后的聚酯纖維，其體積比電阻可以達到107~1012Ω•cm[2]。對纖維進行抗靜電改性主要有3個途徑：①提高纖維親水性；②電荷中和法；③靜電逸散法[3]。目前國內外對聚酯纖維抗靜電的改性方法很多，根據改性實施階段可大致分為3類，一是聚合階段改性；二是紡絲階段改性；三是纖維或織物后整理。

1聚合階段改性

聚合階段改性主要是利用共聚法，即在合成聚酯時加入親水性單體或抗靜電劑等改性組分，使其與聚酯單體通過共聚來增強聚酯材料本體的電導率，從而提高聚酯纖維的抗靜電性能[4]。共聚法常用的抗靜電劑為聚乙二醇及其衍生物。在早期研究者中，石明孝等[5]曾采用聚乙二醇(PEG-2000)合成的聚醚酰胺作為抗靜電劑，然后與PET切片熔融共混紡絲。當抗靜電劑質量分數3%時，改性纖維的抗靜電半衰期從純PET纖維的267.3s下降到21.9s，滿足抗靜電要求。但是，聚乙二醇的附著性差，易噴出，所以通常要加入第二抗靜電改性組分—磺酸鹽或無機鹽，以改善PEG與PET的相容性，另外還可以加入導電聚合物（如納米級金屬氧化物），使其與抗靜電劑起到協同抗靜電作用。張國強等[6]以三氧化二銻、醋酸鈷和醋酸鈉為催化劑，同樣采用原位聚合在聚酯合成時加入間苯二甲酸二乙二醇酯-5-磺酸鈉（SIPE）、聚乙二醇（PEG）及無機導電粉體，制備了抗靜電聚酯，熔融紡絲得到聚酯纖維。

當加入導電粉體質量分數為1%時，聚酯纖維的質量比電阻達到2.1×108Ω•g/cm2，抗靜電效果顯著。徐關祥[7]在聚酯聚合階段添加納米級二氧化硅和氧化鋅得到納米改性聚酯，直接通過熔體紡絲制得抗靜電聚酯纖維。經納米改性制備的聚酯纖維，因摻入了半導體性質的二氧化硅和氧化鋅，從而能夠形成良好的靜電屏蔽性能，大幅度降低其靜電效應。陳曉蕾等[8]采用原位聚合的方法制備了抗靜電滌綸（PET）/銻摻雜二氧化錫（ATO）納米復合材料，再經熔融紡絲制備出抗靜電復合纖維。當ATO質量分數為1%時，纖維的體積電阻由2.7×1013Ω•cm下降到4.9×108Ω•cm，且抗靜電纖維的滲濾閥值1.05%，低于傳統抗靜電填料。采用共聚法制得的聚酯纖維不僅具有理想的抗靜電性能，而且耐久性良好，但此方法還存在一定的局限性。因為在聚酯合成時引入其他化合物需要改變聚酯合成工藝流程，面對眾多的聚酯產品，此方法普遍適應性較差，且成本較高，所以尚未實現工業化生產。

2紡絲階段改性

紡絲階段改性可以通過在紡絲熔體中以某種形式（如母粒等）加入親水性化合物或抗靜電劑等改性組分，以改善纖維的抗靜電性能；亦可以通過改變紡絲設備來提高纖維的吸濕性，從而提高纖維電導率，達到抗靜電效果。

2.1共混改性

共混改性通常是添加具有導電性能的有機或無機物，并通過對其進行表面處理等方法，改善其在聚酯基體中的相容性等，提高體系的導電率，再經紡絲制得抗靜電聚酯纖維。早期，通常采用PEG等多元共混體系來實現抗靜電性能。仲蕾蘭等[9]曾采用聚酯-聚乙二醇-十二烷基苯磺酸鈉-硬脂酸鹽四元共混體系，制備得到可紡性良好、抗靜電性能優良的聚酯纖維。但添加的改性劑種類及含量較多，導致纖維強度下降。隨著時展，碳納米管（CNTs）因具有優良的力學性能、電性能和電磁性能[10]，能顯著提高聚合物的抗靜電性能，從而受到各界廣泛關注。閆承花[11]采用碳納米管與聚酯切片混合制成抗靜電母粒，再將抗靜電母粒與PET切片共混紡絲制得PET/CNTs共混纖維，其通過添加少量的CNTs就能明顯改善聚酯纖維的抗靜電性能。當PET/CNTs共混纖維中CNTs的質量分數為0.8%時，其質量比電阻能達到6.75×108Ω•g/cm2，且纖維的抗靜電性能隨CNTs質量分數增加而增大，但考慮到加工問題，CNTs添加量不宜過大。劉柯妍等[12]采用聚酯分別與多壁碳納米管（MWNTs）和羧基化多壁碳納米管（MWNTs-COOH）共混制備得到復合材料，CNTs在PET中形成三維導電網絡，提高了聚酯的導電性，從而經紡絲制備的聚酯纖維的抗靜電性能也得到改善。由于MWNTs-COOH分散性好，與PET有較強的界面結合和相互作用，所以PET/MWNTs-COOH的導電性優于PET/MWNTs。共混改性無需改變聚酯合成的工藝流程，易于調整，且制備的抗靜電聚酯纖維持久性較強。另外，共混改性可選擇的抗靜電材料種類較多，但這些材料與聚酯的相容性較差，會引起材料的表觀和機械性能下降。

2.2纖維截面異形化

“異形”是相對于圓形而言，即在纖維生產中，通過改變噴絲板孔型或紡絲工藝條件來生產制造各種非圓形截面的纖維。目前，異形截面纖維至少有數十種，如扁平型、三角形、L型、C型、啞鈴型、十字形等[13]。異形截面纖維具有很多優點，如吸水性強等。相對于圓形截面纖維，異形截面纖維的比表面積增大，吸水性增強，纖維的抗靜電性能也隨之提高。李翠芳等[14]研究分析了異形聚酯纖維的吸濕性能。在低溫高濕條件下，相比于普通聚酯纖維，三葉形纖維的吸濕速率和平衡含水率更高，從而三葉形聚酯纖維的抗靜電性能也要高于普通聚酯纖維。但是，僅通過改變噴絲設備制備的聚酯纖維抗靜電性能得不到大幅度改善，且對環境濕度依賴較大，所以通常將改變噴絲設備與其他改性方法并用。裘大洪等[15]設計出“王”字形噴絲微孔，通過噴絲孔制備得到異形纖維，并且絲束牽伸過后，通到環氧改性丙烯酸鈉的溶液中，再進行固化，即在纖維本體上固著一層抗靜電層，從而得到高透氣導濕抗靜電纖維。葉敬平等[16]先將納米二氧化硅以化學接枝的方法接枝到聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）中制得抗靜電聚酯切片，再將其與普通PET切片共混熔融經“一”字形噴絲板紡絲制得抗靜電聚酯纖維，由于二氧化硅以化學鍵鍵合的方式存在于纖維中，故此纖維的抗靜電性能耐久性較強。

3纖維或織物后整理

3.1表面處理改性

表面處理改性即對纖維或織物進行表層改性，不引起聚合物內部結構的變化，可大致分為3類：表面涂覆改性、等離子體改性、堿減量改性。

3.1.1表面涂覆改性

顧名思義，表面涂覆改性即在纖維表面涂覆表面活性劑類抗靜電劑，從而提高纖維的吸濕性，降低表面電阻，改善纖維的抗靜電性能。呂景春等[17]研發出一種提高聚酯纖維抗靜電性能的復配整理劑，即先采用對苯二甲酸、乙二醇和聚乙二醇經熔融縮聚制得聚酯聚醚型親水整理劑，再將其與去離子水混合配置成親水整理液，然后向親水整理液中加入非離子表面活性劑、高分子親水性物質和殼聚糖溶液，得到復配整理劑。將聚酯纖維織物放入上述復配整理劑中，經二浸二軋工藝，烘干、冷卻，得到同時具有優異親水性和抗靜電性的聚酯纖維。Chu等[18]利用溶膠-凝膠技術分別制備了純TiO2水溶膠、純ZnO水溶膠以及TiO2/ZnO復合水溶膠，通過浸壓、烘干、烘焙等工序整理到滌綸織物表面。經處理后，滌綸織物的回潮率大大提升，抗靜電性能也隨之改善。就穩定性而言，純ZnO水溶膠最好，純TiO2水溶膠最差，復合水溶膠介于兩者之間。戴杰等[19]利用三聚氰氯將殼聚糖的羥基引入到聚乙二醇分子鏈上，得到水溶性較好的殼聚糖衍生物（TCSO-PEG2000）。再用TCSO-PEG2000整理劑對滌綸織物進行處理。當整理劑質量濃度為8g/L、焙烘時間為5min、焙烘溫度為120℃時，滌綸織物具有較好的力學性能、親水性能及抗靜電性能。此方法操作簡單，成本較低，所以目前仍被廣泛采用。常規表面涂覆方式制得的聚酯纖維，雖滿足抗靜電要求，但抗靜電效果難以長久保存，不耐水洗，且在低濕度環境中無法起到抗靜電效果。

3.1.2等離子體表面改性

等離子體表面改性是通過等離子體處理以及在材料表面進行等離子體接枝來改變材料表面結構的一種表面處理方法[20]。Ma等[21]采用低溫等離子體對聚酯纖維織物進行表面處理，放電電壓為50V，電極間隙為4mm時，織物的抗靜電性能得到明顯改善，再將處理后的織物浸漬于70℃、質量分數為60%的丙烯酸溶液中，停留30s，即通過等離子處理在滌綸表面引入羧基基團，提高織物吸水性，從而進一步提高織物的抗靜電性能。Dincmen等[22]利用等離子體技術將二甲基二烯丙基氯化銨（DADMAC）和二丙烯酸乙二醇酯接枝到滌綸織物表面，其中DADMAC作為抗靜電單體，二丙烯酸乙二醇酯為交聯劑，二者在織物表面形成單體/交聯層，使織物實現耐久抗靜電性能。

3.1.3堿減量改性

堿減量處理是指在高溫和較濃的燒堿溶液中處理滌綸織物的過程。堿處理可改變纖維的表面形態及內部結構，使纖維表面受到刻蝕而產生微坑，形成孔隙，利用毛細吸水原理提高纖維吸水率[23]。但是，由于堿處理過程本身會造成纖維大分子的斷鏈和剝離，也會造成纖維的質量損失。戴杰等[24]利用堿減量法對滌綸織物進行改性，發現經處理后的滌綸織物性能發生變化：織物纖維變細，纖維孔隙率提高，從而改善了織物的抗靜電性、透氣性、吸濕性。由于纖維表面孔隙較多，纖維的斷裂強度也隨之降低。

3.2表面接枝改性

表面接枝改性是利用熱引發、紫外線、高能射線等，使纖維聚合物與親水性單體接枝聚合的方法[25]。親水性單體在纖維表面構成泄漏電荷通道，以降低纖維表面電阻，從而增加抗靜電效果。聚苯胺具有特殊的電學、光學性質，經摻雜后可使聚合物具有導電性及電化學性能。Kutanis等[26]以重鉻酸鉀為催化劑，在水相鹽酸溶液中將聚苯胺（PAn）接枝到滌綸織物表面得到PAn/PET復合導電材料，從而改善滌綸織物的抗靜電性能。Abdel-Halim等[27]將殼聚糖、氯均三嗪-β-環糊精（MCT-β-CD）分別接枝于滌綸棉和滌綸織物表面，即通過接枝的方式引入羥基，提高織物吸濕性，且接枝了MCT-β-CD的織物比接枝殼聚糖的織物的吸水性能更好，從而抗靜電效果更加優良。經表面接枝處理后，聚酯纖維的抗靜電性能得到明顯提升，且耐久性較好，但織物手感較差，設備投資費用較大，且對空氣濕度有很強的依賴性，目前尚未實現工業化。

3.3在織物中嵌織導電纖維

嵌織式抗靜電織物是在織物中等間距地置入導電纖維，利用導電纖維的靜電誘導/電暈放電/泄露等作用的綜合效果[28]，像避雷針誘導雷電的原理，在織物中構建起靜電泄漏和逸散的通道，增加靜電荷逸散的速度，從而起到抗靜電作用。韋毅俊等[29]將鈦酸酯偶聯劑處理后的碳黑分散在苯酚/四氯乙烷中制得溶解涂覆液，再將溶解-涂覆液均勻涂覆于PET纖維表面，制得碳黑/聚酯導電纖維，并將其嵌織到基體織物中，使得含導電纖維表面電荷密度均小于7μC/m2，可滿足抗靜電要求，且其抗靜電性能基本不受水洗影響，具有較好的抗靜電耐久性。石墨烯是一種新型碳材料，具有獨特的二維納米結構，電子傳輸率高、導電性能優越、機械強度非常高，所以在聚合物中添加少量石墨烯便可獲得優良抗靜電效果。于偉等[30]設計了一種含石墨烯的高強度抗靜電聚酯纖維面料，其特征在于面料織物由徑向纖維和緯向纖維編制而成。他們采用石墨烯與聚酯共混、擠出造粒，制成高石墨烯含量的聚酯母粒，然后與普通聚酯切片共混紡絲。徑向纖維中的石墨烯含量高于緯向纖維，所以緯向纖維在織物中起增強作用，而徑向纖維在織物中起抗靜電效果。但石墨烯價格昂貴，所以此方法僅存在于實驗階段。

4結語

綜上所述，在制備聚酯纖維的不同階段都可以對其進行抗靜電改性，但是改性方法各有優缺點。目前聚酯纖維抗靜電改性已取得較大進展，有很多改性品種已投入工業化生產，但仍有不少品種還處于研究階段。舒適性、永久性、工業化是未來抗靜電聚酯纖維發展不可或缺的趨勢。

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作者：李珊珊；喬輝；胡蝶；丁筠；李建平；武艷杰 單位：北京化工大學材料科學與工程學院