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

在智能紡織產品研發中，導電紗線可用于信號傳輸、摩擦發電、智能傳感、電磁屏蔽等。導電紗線一般包含金屬導電紗線、碳基導電紗線以及導電材料（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，具有優異的力學性能、導電性能及化學性能。WEI等通過將碳納米管紗線包裹在聚酯復合絲上，制備了高度可拉伸和性能穩定的導電紗線，研究發現，包覆紗線在205 V電壓下具有穩定的溫度（5.1 ℃）和較高的快速電熱響應（2 s）。TANG等通過靜電紡絲制備了一種高拉伸性和導電性的多維碳基納米材料/聚氨酯復合納米纖維紗線，研究發現，經質量分數為3.0%的CNTs處理后，纖維電導率為0.154 S/cm。

本文通過氫氧化鈉（NaOH）預處理功能性粘膠（薄荷改性粘膠纖維、艾草改性粘膠纖維）/羊毛混紡紗，并負載CNTs制備成導電紗線，研究混紡紗的混紡比、功能性粘膠種類等對紗線微觀形貌、聚集態結構及導電性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料及藥品

羊毛（線密度1.25 dtex，長度40 mm）、艾草改性粘膠纖維（線密度1.33 dtex，長度38 mm）、薄荷改性粘膠纖維（線密度1.33 dtex，長度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%，四川成都中科時代納米材料有限公司）、聚乙烯醇（PVA，國藥化學試劑）、氫氧化鈉（NaOH，分析純，阿拉?。?、去離子水（實驗室自制）。

1.2 儀器及設備

臺式掃描電鏡儀（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）、電阻測量儀（DT9205A，中國）、X射線光電子能譜儀（Axis Supra＋，株式會社島津制作有限公司，日本）等。

1.3 混紡紗線預處理

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 導電紗線制備

將實驗室自制的去離子水pH值調節為 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 ℃后持續保溫90 min。接著，將PVA和CNTs按照 1∶1 比例混合配制溶液，調節溶液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 ℃下進行保溫處理，得到導電紗線。

1.5 測試與表征

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

紅外光譜測試：使用傅里葉變換紅外（FTIR）光譜儀分析預處理后和負載CNTs的混紡紗線，波數測量范圍為500 ～ 4 000 cm-1，32次掃描，分辨率 4 cm-1。

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

導電性能測試：采用數字萬用表分別測量所有種類混紡紗線表面電阻，測試長度為 5 mm，每根紗線均選取5 處不同位置進行紗線表面電阻測量并取平均值。

2 結果與討論

2.1 形貌分析

經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，經過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的差異性，因此無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。當兩種功能性粘膠纖維與羊毛的混紡比例相同時（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，經過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并未改變紗線內艾草改性粘膠纖維、薄荷改性粘膠纖維及羊毛的聚集態結構。其中，在3 010 ～ 3 670 cm-1波段的吸收峰對應羊毛纖維中N—H和O—H的伸縮振動；1 600 ～ 1 720 cm-1波段的吸收峰對應羊毛纖維中N—H的伸縮振動，1 490 ～1 570 cm-1波段的吸收峰則對應C—N的伸縮振動。

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

對薄荷改性粘膠纖維/羊毛、艾草改性粘膠纖維/羊毛混紡紗進行XPS測試分析，結果如圖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，經過CNTs處理后，O元素含量增加明顯，S元素含量明顯減少，這可能是因為在CNTs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鍵發生斷裂，從而導致S元素含量下降，同時在紗線表面引入了羥基，后續又將其浸泡在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，同時也通過羧基與羥基的化學反應提高了CNTs的負載量。

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 導電性能

負載CNTs后混紡紗的導電性能采用 5 mm長度的電阻值進行表征，結果表明，無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，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，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致了CNTs的負載量增加。相應地，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，導電性能增強。

3 結論

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NaOH預處理、CNTs溶液處理后制得導電紗線。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，導致紗線的電阻值急劇增大，在混紡比為50/50時，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到2 050和3 025 kΩ。因此，可通過混紡紗中增加功能性粘膠的混紡含量，提升CNTs的負載量，增強混紡紗的導電性能。