抗靜電聚苯胺改性羊毛纖維的制備

張洪鋒，楊錦錦，吳壯壯，梁 婧，王小聰

(天津科技大學化工與材料學院，天津 300457)

靜電在日常生活中普遍存在，它給一些行業(yè)和日常生活帶來許多不便，尤其是服裝靜電.服裝靜電有很強的吸塵作用，既臟污衣服又損害健康；在某些特殊的環(huán)境中，當靜電電荷不斷積累，超過一定值時，甚至會誘發(fā)爆炸和火災事故.隨著電子工業(yè)的發(fā)展，靜電在電子工業(yè)的生產(chǎn)和使用方面造成巨大的經(jīng)濟損失，電子工業(yè)部門每年因靜電危害損壞造成的損失高達百億美元[1-3].種種跡象表明，服裝靜電對許多行業(yè)都有影響，日常生活對于功能性服裝的需求逐漸升高，因此，在生產(chǎn)生活中減少或消除服裝靜電具有重要意義.

目前，抗靜電織物的生產(chǎn)技術有3 種：一是使用抗靜電劑；二是導電纖維的混紡與嵌織；三是化學改性.抗靜電劑(如納米MgO)整理技術，其耐久性是相對的，隨著時間的延長，抗靜電性能會逐漸下降；絕大多數(shù)防靜電織物是采用導電纖維制作的，但摻雜金屬絲會由于金屬纖維的細度和柔韌性的影響，使其應用被限制在一定范圍內(nèi)，且抗靜電性與嵌入導電纖維所占比例有關；化學改性一般采用對成纖高聚物進行共混、共聚合、接枝改性引入親水性極性基團，能夠提高纖維的吸濕性，從而加快電荷的散逸[4-7]；也有研究者采用金屬氧化物熔融紡絲技術制備導電纖維，但此方法價格昂貴[8].羊毛是紡織工業(yè)中占據(jù)重要比例的纖維之一，羊毛具有復雜的表面結構，外表皮層緊密，硬度大且具有疏水性質[9-10]，具有超高的電氣絕緣性能，因此靜電現(xiàn)象尤為嚴重.

導電高聚物聚苯胺不僅具有良好的電化學性能和加工性能，而且價格低廉，具有可調(diào)的電導率以及可逆的摻雜/脫摻雜的特性[11-12].因此，本文以羊毛為基底材料，采用原位吸附聚合法，制備抗靜電聚苯胺改性羊毛纖維，從而改變羊毛材料的絕緣性.采用掃描電鏡、傅里葉紅外光譜儀、X 射線衍射儀和纖維比電阻儀對改性纖維的結構和性能進行詳細表征.該方法不僅反應過程簡單，無污染物產(chǎn)生，且成本低廉[13-14]，適于批量生產(chǎn).

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

含羊毛80%的毛線，恒源祥公司；苯胺，分析純，國藥集團化學試劑有限公司，使用前經(jīng)重蒸處理；過硫酸銨(APS)、硫酸、無水乙醇，分析純，天津化學試劑公司；去離子水.

SU1510 型掃描電子顯微鏡，日立高新技術公司；IS50 型傅里葉變換紅外光譜儀，賽默飛世爾科技；6100 型X 射線衍射儀，日本島津公司；YG321 型纖維比電阻儀，常州二紡精密機械有限公司.

1.2 改性纖維的制備

稱取15.026 g 毛線進行預處理.將其用去離子水沖洗后，浸泡在400 mL 質量分數(shù)為10%的乙醇溶液中，利用超聲清洗儀去掉表面的不溶物和油脂，室溫下干燥.將預處理好的毛線再浸入400 mL 不同濃度的苯胺溶液中，用硫酸將溶液的pH 調(diào)至2(形成苯胺鹽溶液)，浸泡30 min，以保證苯胺單體在羊毛纖維表面達到動態(tài)吸附平衡.加入氧化劑(過硫酸銨)引發(fā)聚合，室溫下反應 24 h，保證苯胺聚合反應完全.反應完成后，將改性纖維取出并用乙醇和去離子水洗滌至上清液無色且溶液顯中性，將處理好的改性纖維置于室溫下自然晾干，以備測試.

1.3 測試與表征

采用掃描電子顯微鏡觀察改性纖維的微觀形貌；采用傅里葉變換紅外光譜儀測定樣品的紅外光譜；采用X 射線衍射儀研究結晶情況.

采用纖維比電阻儀(量程為1～107M?/cm)測量改性纖維的比電阻值.稱取15 g 纖維均勻填入纖維測試盒內(nèi)，將被測纖維試樣置于溫度為室溫，相對濕度為65%±10%的環(huán)境中平衡4 h 后進行測試.

2 結果與討論

2.1 形貌分析

空白羊毛線和聚苯胺改性羊毛線的光學照片如圖1 所示.由圖1 可知：羊毛線聚苯胺改性后得到綠色的改性纖維.

圖1 羊毛線及聚苯胺改性羊毛線的光學照片F(xiàn)ig.1 Optical photos of wool thread and polyaniline modified wool thread

常規(guī)羊毛纖維及其聚苯胺改性纖維的掃描電鏡圖如圖2 所示.從空白羊毛纖維和聚苯胺改性羊毛纖維的SEM 圖像可以看出：羊毛是細長的實心圓柱體，常規(guī)羊毛線表面有重疊覆蓋的鱗片層，其形狀和排列使羊毛具有超高的電氣絕緣性，靜電現(xiàn)象嚴重；改性纖維表面光滑，鱗片結構被聚苯胺完全包覆，能夠有效減少在紡織和使用過程中的摩擦，穿著舒適感能得到較大改善.

圖2 羊毛纖維及其聚苯胺改性纖維的掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of wool fiber and polyaniline modified fiber

2.2 紅外光譜分析

羊毛纖維、聚苯胺和聚苯胺改性羊毛纖維的紅外光譜圖如圖3 所示.

圖3 不同樣品的紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of different samples

圖3 中3 430 cm-1處的寬吸收峰歸屬于—OH 的伸縮振動.在聚苯胺的譜圖中，1 582 cm-1處的吸收峰是醌式結構伸縮振動特征峰，1 492 cm-1處的吸收峰是聚苯胺分子中苯環(huán)結構的伸縮振動特征峰[15].通過對比發(fā)現(xiàn)，改性纖維較羊毛纖維在1 492 cm-1處出現(xiàn)了苯環(huán)結構的特征峰，表明存在聚苯胺的翠綠亞胺鹽.聚苯胺在1 046 cm-1處吸收峰歸屬于苯環(huán)上C—H 的彎曲振動[16]，經(jīng)過聚苯胺改性之后改性纖維譜圖中出現(xiàn)此峰.因此，說明反應過后改性纖維中存在聚苯胺.

2.3 XRD分析

空白羊毛纖維、苯胺與過硫酸銨物質的量比不同的改性纖維以及聚苯胺的XRD 譜圖如圖4 所示.

圖4 不同樣品的XRD譜圖Fig.4 XRD patterns of different samples

從圖4 中聚苯胺的譜圖可以看到2θ=20°和25°處的兩個特征性寬峰，表明聚苯胺是短程有序的半結晶態(tài)[17].圖4 中，在2θ=44°、64°和77.5°處都出現(xiàn)了衍射峰，空白羊毛纖維和聚苯胺在這3 處的衍射峰強度較弱，而改性纖維的峰強度明顯增強，這是因為大量氨基存在聚苯胺結構中，可形成氫鍵，使改性纖維更容易形成結晶區(qū).圖中改性纖維與聚苯胺，空白羊毛纖維在這3 處衍射峰的位置完全吻合，說明羊毛經(jīng)過聚苯胺的改性后并未改變物質本身的性質，適用于抗靜電織物的制備.

2.4 比電阻分析

采用纖維比電阻儀可以測試改性纖維的導電性能，空白纖維、改性纖維及經(jīng)過多次水洗的纖維比電阻結果見表1.聚苯胺材料有優(yōu)秀的導電性和電化學性能，環(huán)境的改變能使其化學性能和導電性能發(fā)生改變[18].由表1 可知：常規(guī)羊毛的比電阻為1.46×107M?/cm，經(jīng)過不同摻雜比例處理的聚苯胺改性羊毛纖維，其比電阻值較常規(guī)羊毛纖維都有所降低.其中，樣品3 改性纖維比電阻最小，其值較普通羊毛線至少降低了7 個數(shù)量級，具有較好的抗靜電性能.水洗100 次后，改性纖維的比電阻值基本不變，說明得到的改性纖維具有較好的耐水洗性.導電纖維通常是指在標準狀態(tài)下(20 ℃，相對濕度65%)比電阻在107?/cm 以下的纖維，水洗前后樣品3 比電阻值的數(shù)量級都在抗靜電的要求范圍內(nèi)，具有較好的抗靜電性能.因此，以0.2 mol/L 苯胺鹽溶液，n(苯胺)∶n(過硫酸銨)=1∶1 的制備條件下得到的改性纖維具有抗靜電性和耐水洗性.

表1 水洗次數(shù)對比電阻的影響Tab.1 Effect of water washing times on specific resistance

3 結 論

(1)紅外光譜證明了改性纖維中存在聚苯胺，掃描電鏡圖中聚苯胺改性羊毛纖維表面幾乎沒有鱗片結構，表明聚苯胺包覆在羊毛纖維表面.

(2)XRD 測試結果表明，聚苯胺在纖維表面的改性并未影響纖維的結構性能.

(3)以0.2 mol/L 苯胺鹽溶液，n(苯胺)∶n(過硫酸銨)=1∶1 的制備條件下得到的聚苯胺改性羊毛纖維，其比電阻能夠降低107?/cm，使其具有較好的抗靜電性能.經(jīng)過多次水洗，其比電阻值變化不大，說明改性纖維具有良好的耐洗性和抗靜電性，適用于抗靜電織物的制備.