聚酯纖維抗靜電改性的研究進(jìn)程范文

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《聚酯工業(yè)》2017年第4期

摘要：綜述了聚酯纖維抗靜電改性的研究進(jìn)展，根據(jù)改性實(shí)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(jìn)行闡述，評(píng)述了各種改性方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出舒適性、耐久性、工業(yè)化是抗靜電聚酯纖維未來發(fā)展不可或缺的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：聚酯纖維；抗靜電；改性

聚酯纖維（滌綸）廣泛應(yīng)用于服裝、家飾以及其他工業(yè)領(lǐng)域。然而聚酯纖維的大分子間以共價(jià)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(tuán)極性較小，屬于疏水性纖維，從而易產(chǎn)生靜電[1]。靜電不僅對(duì)聚酯纖維的生產(chǎn)過程造成困難，使織物相互纏繞、吸塵，而且還會(huì)使服裝糾纏人體，產(chǎn)生不適感，此外，靜電還是引起火災(zāi)、爆炸等事故的主要誘發(fā)原因之一，從而限制了聚酯纖維的應(yīng)用。因此為了拓展聚酯纖維的應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行抗靜電改性顯得尤為重要。標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)抗靜電改性后的聚酯纖維，其體積比電阻可以達(dá)到107~1012Ω•cm[2]。對(duì)纖維進(jìn)行抗靜電改性主要有3個(gè)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(nèi)外對(duì)聚酯纖維抗靜電的改性方法很多，根據(jù)改性實(shí)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(shí)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(qiáng)聚酯材料本體的電導(dǎo)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(dāng)抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%時(shí)，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(jī)鹽，以改善PEG與PET的相容性，另外還可以加入導(dǎo)電聚合物（如納米級(jí)金屬氧化物），使其與抗靜電劑起到協(xié)同抗靜電作用。張國強(qiáng)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(shí)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(jī)導(dǎo)電粉體，制備了抗靜電聚酯，熔融紡絲得到聚酯纖維。

當(dāng)加入導(dǎo)電粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，聚酯纖維的質(zhì)量比電阻達(dá)到2.1×108Ω•g/cm2，抗靜電效果顯著。徐關(guān)祥[7]在聚酯聚合階段添加納米級(jí)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(jīng)納米改性制備的聚酯纖維，因摻入了半導(dǎo)體性質(zhì)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(yīng)。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(fù)合材料，再經(jīng)熔融紡絲制備出抗靜電復(fù)合纖維。當(dāng)ATO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，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(tǒng)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?yàn)樵诰埘ズ铣蓵r(shí)引入其他化合物需要改變聚酯合成工藝流程，面對(duì)眾多的聚酯產(chǎn)品，此方法普遍適應(yīng)性較差，且成本較高，所以尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

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(shè)備來提高纖維的吸濕性，從而提高纖維電導(dǎo)率，達(dá)到抗靜電效果。

2.1共混改性

共混改性通常是添加具有導(dǎo)電性能的有機(jī)或無機(jī)物，并通過對(duì)其進(jìn)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(dǎo)電率，再經(jīng)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(shí)現(xiàn)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(yōu)良的聚酯纖維。但添加的改性劑種類及含量較多，導(dǎo)致纖維強(qiáng)度下降。隨著時(shí)展，碳納米管（CNTs）因具有優(yōu)良的力學(xué)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(guān)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(dāng)PET/CNTs共混纖維中CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，其質(zhì)量比電阻能達(dá)到6.75×108Ω•g/cm2，且纖維的抗靜電性能隨CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(fù)合材料，CNTs在PET中形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高了聚酯的導(dǎo)電性，從而經(jīng)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(qiáng)的界面結(jié)合和相互作用，所以PET/MWNTs-COOH的導(dǎo)電性優(yōu)于PET/MWNTs。共混改性無需改變聚酯合成的工藝流程，易于調(diào)整，且制備的抗靜電聚酯纖維持久性較強(qiáng)。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(huì)引起材料的表觀和機(jī)械性能下降。

2.2纖維截面異形化

“異形”是相對(duì)于圓形而言，即在纖維生產(chǎn)中，通過改變噴絲板孔型或紡絲工藝條件來生產(chǎn)制造各種非圓形截面的纖維。目前，異形截面纖維至少有數(shù)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(yōu)點(diǎn)，如吸水性強(qiáng)等。相對(duì)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(qiáng)，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(shè)備制備的聚酯纖維抗靜電性能得不到大幅度改善，且對(duì)環(huán)境濕度依賴較大，所以通常將改變噴絲設(shè)備與其他改性方法并用。裘大洪等[15]設(shè)計(jì)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(huán)氧改性丙烯酸鈉的溶液中，再進(jìn)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(dǎo)濕抗靜電纖維。葉敬平等[16]先將納米二氧化硅以化學(xué)接枝的方法接枝到聚對(duì)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(jīng)“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(xué)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(qiáng)。

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(duì)纖維或織物進(jìn)行表層改性，不引起聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(fā)出一種提高聚酯纖維抗靜電性能的復(fù)配整理劑，即先采用對(duì)苯二甲酸、乙二醇和聚乙二醇經(jīng)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(zhì)和殼聚糖溶液，得到復(fù)配整理劑。將聚酯纖維織物放入上述復(fù)配整理劑中，經(jīng)二浸二軋工藝，烘干、冷卻，得到同時(shí)具有優(yōu)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(shù)分別制備了純TiO2水溶膠、純ZnO水溶膠以及TiO2/ZnO復(fù)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(jīng)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(wěn)定性而言，純ZnO水溶膠最好，純TiO2水溶膠最差，復(fù)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(duì)滌綸織物進(jìn)行處理。當(dāng)整理劑質(zhì)量濃度為8g/L、焙烘時(shí)間為5min、焙烘溫度為120℃時(shí)，滌綸織物具有較好的力學(xué)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(guī)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(huán)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(jìn)行等離子體接枝來改變材料表面結(jié)構(gòu)的一種表面處理方法[20]。Ma等[21]采用低溫等離子體對(duì)聚酯纖維織物進(jìn)行表面處理，放電電壓為50V，電極間隙為4mm時(shí)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(tuán)，提高織物吸水性，從而進(jìn)一步提高織物的抗靜電性能。Dincmen等[22]利用等離子體技術(shù)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(lián)劑，二者在織物表面形成單體/交聯(lián)層，使織物實(shí)現(xiàn)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(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使纖維表面受到刻蝕而產(chǎn)生微坑，形成孔隙，利用毛細(xì)吸水原理提高纖維吸水率[23]。但是，由于堿處理過程本身會(huì)造成纖維大分子的斷鏈和剝離，也會(huì)造成纖維的質(zhì)量損失。戴杰等[24]利用堿減量法對(duì)滌綸織物進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理后的滌綸織物性能發(fā)生變化：織物纖維變細(xì)，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(qiáng)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(fā)、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(gòu)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(xué)、光學(xué)性質(zhì)，經(jīng)摻雜后可使聚合物具有導(dǎo)電性及電化學(xué)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(fù)合導(dǎo)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(huán)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(yōu)良。經(jīng)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(shè)備投資費(fèi)用較大，且對(duì)空氣濕度有很強(qiáng)的依賴性，目前尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

3.3在織物中嵌織導(dǎo)電纖維

嵌織式抗靜電織物是在織物中等間距地置入導(dǎo)電纖維，利用導(dǎo)電纖維的靜電誘導(dǎo)/電暈放電/泄露等作用的綜合效果[28]，像避雷針誘導(dǎo)雷電的原理，在織物中構(gòu)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(lián)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(dǎo)電纖維，并將其嵌織到基體織物中，使得含導(dǎo)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(dú)特的二維納米結(jié)構(gòu)，電子傳輸率高、導(dǎo)電性能優(yōu)越、機(jī)械強(qiáng)度非常高，所以在聚合物中添加少量石墨烯便可獲得優(yōu)良抗靜電效果。于偉等[30]設(shè)計(jì)了一種含石墨烯的高強(qiáng)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(qiáng)作用，而徑向纖維在織物中起抗靜電效果。但石墨烯價(jià)格昂貴，所以此方法僅存在于實(shí)驗(yàn)階段。

4結(jié)語

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

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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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院