聚酯纤维抗静电改性的研究进程范文

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《聚酯工业》2017年第4期

摘要：综述了聚酯纤维抗静电改性的研究进展，根据改性实施阶段分别从聚合阶段、纺丝阶段和纤维或织物后整理3方面进行阐述，评述了各种改性方法的优缺点，并指出舒适性、耐久性、工业化是抗静电聚酯纤维未来发展不可或缺的趋势。

关键词：聚酯纤维；抗静电；改性

聚酯纤维（涤纶）广泛应用于服装、家饰以及其他工业领域。然而聚酯纤维的大分子间以共价键相互连接，不能电离，也不能传递电子和离子，另外其分子基团极性较小，属于疏水性纤维，从而易产生静电[1]。静电不仅对聚酯纤维的生产过程造成困难，使织物相互缠绕、吸尘，而且还会使服装纠缠人体，产生不适感，此外，静电还是引起火灾、爆炸等事故的主要诱发原因之一，从而限制了聚酯纤维的应用。因此为了拓展聚酯纤维的应用，对其进行抗静电改性显得尤为重要。标准状况下的普通合成纤维的体积比电阻为1013Ω•cm以上，属于绝缘材料，经抗静电改性后的聚酯纤维，其体积比电阻可以达到107~1012Ω•cm[2]。对纤维进行抗静电改性主要有3个途径：①提高纤维亲水性；②电荷中和法；③静电逸散法[3]。目前国内外对聚酯纤维抗静电的改性方法很多，根据改性实施阶段可大致分为3类，一是聚合阶段改性；二是纺丝阶段改性；三是纤维或织物后整理。

1聚合阶段改性

聚合阶段改性主要是利用共聚法，即在合成聚酯时加入亲水性单体或抗静电剂等改性组分，使其与聚酯单体通过共聚来增强聚酯材料本体的电导率，从而提高聚酯纤维的抗静电性能[4]。共聚法常用的抗静电剂为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)合成的聚醚酰胺作为抗静电剂，然后与PET切片熔融共混纺丝。当抗静电剂质量分数3%时，改性纤维的抗静电半衰期从纯PET纤维的267.3s下降到21.9s，满足抗静电要求。但是，聚乙二醇的附着性差，易喷出，所以通常要加入第二抗静电改性组分—磺酸盐或无机盐，以改善PEG与PET的相容性，另外还可以加入导电聚合物（如纳米级金属氧化物），使其与抗静电剂起到协同抗静电作用。张国强等[6]以三氧化二锑、醋酸钴和醋酸钠为催化剂，同样采用原位聚合在聚酯合成时加入间苯二甲酸二乙二醇酯-5-磺酸钠（SIPE）、聚乙二醇（PEG）及无机导电粉体，制备了抗静电聚酯，熔融纺丝得到聚酯纤维。

当加入导电粉体质量分数为1%时，聚酯纤维的质量比电阻达到2.1×108Ω•g/cm2，抗静电效果显著。徐关祥[7]在聚酯聚合阶段添加纳米级二氧化硅和氧化锌得到纳米改性聚酯，直接通过熔体纺丝制得抗静电聚酯纤维。经纳米改性制备的聚酯纤维，因掺入了半导体性质的二氧化硅和氧化锌，从而能够形成良好的静电屏蔽性能，大幅度降低其静电效应。陈晓蕾等[8]采用原位聚合的方法制备了抗静电涤纶（PET）/锑掺杂二氧化锡（ATO）纳米复合材料，再经熔融纺丝制备出抗静电复合纤维。当ATO质量分数为1%时，纤维的体积电阻由2.7×1013Ω•cm下降到4.9×108Ω•cm，且抗静电纤维的渗滤阀值1.05%，低于传统抗静电填料。采用共聚法制得的聚酯纤维不仅具有理想的抗静电性能，而且耐久性良好，但此方法还存在一定的局限性。因为在聚酯合成时引入其他化合物需要改变聚酯合成工艺流程，面对众多的聚酯产品，此方法普遍适应性较差，且成本较高，所以尚未实现工业化生产。

2纺丝阶段改性

纺丝阶段改性可以通过在纺丝熔体中以某种形式（如母粒等）加入亲水性化合物或抗静电剂等改性组分，以改善纤维的抗静电性能；亦可以通过改变纺丝设备来提高纤维的吸湿性，从而提高纤维电导率，达到抗静电效果。

2.1共混改性

共混改性通常是添加具有导电性能的有机或无机物，并通过对其进行表面处理等方法，改善其在聚酯基体中的相容性等，提高体系的导电率，再经纺丝制得抗静电聚酯纤维。早期，通常采用PEG等多元共混体系来实现抗静电性能。仲蕾兰等[9]曾采用聚酯-聚乙二醇-十二烷基苯磺酸钠-硬脂酸盐四元共混体系，制备得到可纺性良好、抗静电性能优良的聚酯纤维。但添加的改性剂种类及含量较多，导致纤维强度下降。随着时展，碳纳米管（CNTs）因具有优良的力学性能、电性能和电磁性能[10]，能显著提高聚合物的抗静电性能，从而受到各界广泛关注。闫承花[11]采用碳纳米管与聚酯切片混合制成抗静电母粒，再将抗静电母粒与PET切片共混纺丝制得PET/CNTs共混纤维，其通过添加少量的CNTs就能明显改善聚酯纤维的抗静电性能。当PET/CNTs共混纤维中CNTs的质量分数为0.8%时，其质量比电阻能达到6.75×108Ω•g/cm2，且纤维的抗静电性能随CNTs质量分数增加而增大，但考虑到加工问题，CNTs添加量不宜过大。刘柯妍等[12]采用聚酯分别与多壁碳纳米管（MWNTs）和羧基化多壁碳纳米管（MWNTs-COOH）共混制备得到复合材料，CNTs在PET中形成三维导电网络，提高了聚酯的导电性，从而经纺丝制备的聚酯纤维的抗静电性能也得到改善。由于MWNTs-COOH分散性好，与PET有较强的界面结合和相互作用，所以PET/MWNTs-COOH的导电性优于PET/MWNTs。共混改性无需改变聚酯合成的工艺流程，易于调整，且制备的抗静电聚酯纤维持久性较强。另外，共混改性可选择的抗静电材料种类较多，但这些材料与聚酯的相容性较差，会引起材料的表观和机械性能下降。

2.2纤维截面异形化

“异形”是相对于圆形而言，即在纤维生产中，通过改变喷丝板孔型或纺丝工艺条件来生产制造各种非圆形截面的纤维。目前，异形截面纤维至少有数十种，如扁平型、三角形、L型、C型、哑铃型、十字形等[13]。异形截面纤维具有很多优点，如吸水性强等。相对于圆形截面纤维，异形截面纤维的比表面积增大，吸水性增强，纤维的抗静电性能也随之提高。李翠芳等[14]研究分析了异形聚酯纤维的吸湿性能。在低温高湿条件下，相比于普通聚酯纤维，三叶形纤维的吸湿速率和平衡含水率更高，从而三叶形聚酯纤维的抗静电性能也要高于普通聚酯纤维。但是，仅通过改变喷丝设备制备的聚酯纤维抗静电性能得不到大幅度改善，且对环境湿度依赖较大，所以通常将改变喷丝设备与其他改性方法并用。裘大洪等[15]设计出“王”字形喷丝微孔，通过喷丝孔制备得到异形纤维，并且丝束牵伸过后，通到环氧改性丙烯酸钠的溶液中，再进行固化，即在纤维本体上固着一层抗静电层，从而得到高透气导湿抗静电纤维。叶敬平等[16]先将纳米二氧化硅以化学接枝的方法接枝到聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）中制得抗静电聚酯切片，再将其与普通PET切片共混熔融经“一”字形喷丝板纺丝制得抗静电聚酯纤维，由于二氧化硅以化学键键合的方式存在于纤维中，故此纤维的抗静电性能耐久性较强。

3纤维或织物后整理

3.1表面处理改性

表面处理改性即对纤维或织物进行表层改性，不引起聚合物内部结构的变化，可大致分为3类：表面涂覆改性、等离子体改性、碱减量改性。

3.1.1表面涂覆改性

顾名思义，表面涂覆改性即在纤维表面涂覆表面活性剂类抗静电剂，从而提高纤维的吸湿性，降低表面电阻，改善纤维的抗静电性能。吕景春等[17]研发出一种提高聚酯纤维抗静电性能的复配整理剂，即先采用对苯二甲酸、乙二醇和聚乙二醇经熔融缩聚制得聚酯聚醚型亲水整理剂，再将其与去离子水混合配置成亲水整理液，然后向亲水整理液中加入非离子表面活性剂、高分子亲水性物质和壳聚糖溶液，得到复配整理剂。将聚酯纤维织物放入上述复配整理剂中，经二浸二轧工艺，烘干、冷却，得到同时具有优异亲水性和抗静电性的聚酯纤维。Chu等[18]利用溶胶-凝胶技术分别制备了纯TiO2水溶胶、纯ZnO水溶胶以及TiO2/ZnO复合水溶胶，通过浸压、烘干、烘焙等工序整理到涤纶织物表面。经处理后，涤纶织物的回潮率大大提升，抗静电性能也随之改善。就稳定性而言，纯ZnO水溶胶最好，纯TiO2水溶胶最差，复合水溶胶介于两者之间。戴杰等[19]利用三聚氰氯将壳聚糖的羟基引入到聚乙二醇分子链上，得到水溶性较好的壳聚糖衍生物（TCSO-PEG2000）。再用TCSO-PEG2000整理剂对涤纶织物进行处理。当整理剂质量浓度为8g/L、焙烘时间为5min、焙烘温度为120℃时，涤纶织物具有较好的力学性能、亲水性能及抗静电性能。此方法操作简单，成本较低，所以目前仍被广泛采用。常规表面涂覆方式制得的聚酯纤维，虽满足抗静电要求，但抗静电效果难以长久保存，不耐水洗，且在低湿度环境中无法起到抗静电效果。

3.1.2等离子体表面改性

等离子体表面改性是通过等离子体处理以及在材料表面进行等离子体接枝来改变材料表面结构的一种表面处理方法[20]。Ma等[21]采用低温等离子体对聚酯纤维织物进行表面处理，放电电压为50V，电极间隙为4mm时，织物的抗静电性能得到明显改善，再将处理后的织物浸渍于70℃、质量分数为60%的丙烯酸溶液中，停留30s，即通过等离子处理在涤纶表面引入羧基基团，提高织物吸水性，从而进一步提高织物的抗静电性能。Dincmen等[22]利用等离子体技术将二甲基二烯丙基氯化铵（DADMAC）和二丙烯酸乙二醇酯接枝到涤纶织物表面，其中DADMAC作为抗静电单体，二丙烯酸乙二醇酯为交联剂，二者在织物表面形成单体/交联层，使织物实现耐久抗静电性能。

3.1.3碱减量改性

碱减量处理是指在高温和较浓的烧碱溶液中处理涤纶织物的过程。碱处理可改变纤维的表面形态及内部结构，使纤维表面受到刻蚀而产生微坑，形成孔隙，利用毛细吸水原理提高纤维吸水率[23]。但是，由于碱处理过程本身会造成纤维大分子的断链和剥离，也会造成纤维的质量损失。戴杰等[24]利用碱减量法对涤纶织物进行改性，发现经处理后的涤纶织物性能发生变化：织物纤维变细，纤维孔隙率提高，从而改善了织物的抗静电性、透气性、吸湿性。由于纤维表面孔隙较多，纤维的断裂强度也随之降低。

3.2表面接枝改性

表面接枝改性是利用热引发、紫外线、高能射线等，使纤维聚合物与亲水性单体接枝聚合的方法[25]。亲水性单体在纤维表面构成泄漏电荷通道，以降低纤维表面电阻，从而增加抗静电效果。聚苯胺具有特殊的电学、光学性质，经掺杂后可使聚合物具有导电性及电化学性能。Kutanis等[26]以重铬酸钾为催化剂，在水相盐酸溶液中将聚苯胺（PAn）接枝到涤纶织物表面得到PAn/PET复合导电材料，从而改善涤纶织物的抗静电性能。Abdel-Halim等[27]将壳聚糖、氯均三嗪-β-环糊精（MCT-β-CD）分别接枝于涤纶棉和涤纶织物表面，即通过接枝的方式引入羟基，提高织物吸湿性，且接枝了MCT-β-CD的织物比接枝壳聚糖的织物的吸水性能更好，从而抗静电效果更加优良。经表面接枝处理后，聚酯纤维的抗静电性能得到明显提升，且耐久性较好，但织物手感较差，设备投资费用较大，且对空气湿度有很强的依赖性，目前尚未实现工业化。

3.3在织物中嵌织导电纤维

嵌织式抗静电织物是在织物中等间距地置入导电纤维，利用导电纤维的静电诱导/电晕放电/泄露等作用的综合效果[28]，像避雷针诱导雷电的原理，在织物中构建起静电泄漏和逸散的通道，增加静电荷逸散的速度，从而起到抗静电作用。韦毅俊等[29]将钛酸酯偶联剂处理后的碳黑分散在苯酚/四氯乙烷中制得溶解涂覆液，再将溶解-涂覆液均匀涂覆于PET纤维表面，制得碳黑/聚酯导电纤维，并将其嵌织到基体织物中，使得含导电纤维表面电荷密度均小于7μC/m2，可满足抗静电要求，且其抗静电性能基本不受水洗影响，具有较好的抗静电耐久性。石墨烯是一种新型碳材料，具有独特的二维纳米结构，电子传输率高、导电性能优越、机械强度非常高，所以在聚合物中添加少量石墨烯便可获得优良抗静电效果。于伟等[30]设计了一种含石墨烯的高强度抗静电聚酯纤维面料，其特征在于面料织物由径向纤维和纬向纤维编制而成。他们采用石墨烯与聚酯共混、挤出造粒，制成高石墨烯含量的聚酯母粒，然后与普通聚酯切片共混纺丝。径向纤维中的石墨烯含量高于纬向纤维，所以纬向纤维在织物中起增强作用，而径向纤维在织物中起抗静电效果。但石墨烯价格昂贵，所以此方法仅存在于实验阶段。

4结语

综上所述，在制备聚酯纤维的不同阶段都可以对其进行抗静电改性，但是改性方法各有优缺点。目前聚酯纤维抗静电改性已取得较大进展，有很多改性品种已投入工业化生产，但仍有不少品种还处于研究阶段。舒适性、永久性、工业化是未来抗静电聚酯纤维发展不可或缺的趋势。

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作者：李珊珊；乔辉；胡蝶；丁筠；李建平；武艳杰 单位：北京化工大学材料科学与工程学院