纖維用ATO@TiO₂導電晶須的制備及其性能研究

郭雪峰

摘要： ATO（銻摻雜氧化錫）是一種具有高導電性、顏色淺、耐熱性好等優(yōu)點的透明導電氧化物（TCO），包覆TiO2后可以作為導電填料共混紡絲制成導電纖維，在紡織行業(yè)應用前景廣闊。以乙酰丙酮為螯合劑，氯化錫銻為原料，在TiO2晶須表面包覆ATO，制備了淺藍色的ATO@TiO2導電晶須，該方法條件溫和，成本低廉，避免了大量酸堿的消耗，具有大規(guī)模生產(chǎn)應用的潛力。文章探討了包覆比、摻雜比、煅燒溫度、乙酰丙酮與金屬氯化物摩爾比對ATO@TiO2導電晶須導電性能的影響。結果表明，包覆比為45%、摻雜比為9%、乙酰丙酮與金屬氯化物摩爾比為6、煅燒溫度為500 ℃時，導電晶須的表面電阻率優(yōu)化值為6.32 kΩ·cm。

關鍵詞： 二氧化鈦;銻摻雜氧化錫;包覆;表面電阻率;導電晶須

Abstract： ATO（antimony doped tin oxide） is a kind of transparent conductive oxide（TCO） with high electrical conductivity， light color and good thermal stability， etc. After being coated with TiO2， it can be used as conductive filler and made into conductive fiber by blended spinning. It is a kind of material with high conductivity and wide application in textile industry. Light blue conductive ATO@TiO2 whiskers were prepared by using acetylacetone as chelating agent， antimony tin chloride as raw material and coating TiO2 whiskers with ATO. This method has the advantages of mild conditions， low cost， and less consumption of acid-base than coprecipitation method. It has the potential of mass production and application. The effects of coating ratio， doping ratio， calcination temperature and molar ratio of acetylacetone to metal chloride on whisker conductivity were investigated by single factor test. The results show that the optimal value of the surface resistivity of conductive whiskers was 6.32 kΩ·cm at the synthesization condition of a coated ratio of 45%， a doping ratio of 9%， a molar ratio of acetylacetone to metal chloride of 6， and a calcination temperature of 500 ℃.

Key words： Titanium dioxide; Sb doped SnO2; coating; surface resistivity; conductive whisker

隨著科技的不斷發(fā)展，靜電危害所造成的后果已突破了安全問題的界限。常見的靜電干擾主要是通過頻譜干擾設備、儀器，導致電子、通信設備運轉故障、信號丟失等。為了消除靜電帶來的潛在危險，相關研究者設計開發(fā)出了各種導電填料，以摻雜的方式制備了性能各異的復合導電材料[1-4]。導電填料根據(jù)來源可分為碳系導電填料、導電高分子填料、金屬系導電填料及復合型導電填料。其中碳系導電填料使用廣泛，但其顏色較深，嚴重限制了其用途;導電高分子填料導電性能好，顏色多樣，但大多合成復雜，成本高昂的同時具有一定的毒性;金屬系導電填料大多為金屬或金屬氧化物粉體，加工困難，色澤單一。復合型導電填料是兩種及兩種以上的物質合成出的具有優(yōu)良導電性能的粉體，通過將一種或多種導電性能較好的組分包覆在基體材料上組裝成核殼型粉體，具有導電性能好、成本低廉、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

導電纖維作為一種功能型纖維，具有廣闊的應用前景，而傳統(tǒng)的碳系導電填料少量添加就會極大地降低纖維白度[5]。金屬系及有機導電纖維需要特殊的工藝制備，通過簡單高效的導電填料共混方式進行生產(chǎn)較為困難，而復合導電填料以耐高溫的透明導電氧化物（TCO）包覆穩(wěn)定基材可以得到耐高溫的導電填料，進行紡絲后對纖維影響也較小。

TCO具有高光透過率、高電導率，是一種現(xiàn)代光電子產(chǎn)業(yè)重要應用的材料，主要包括ATO（銻摻雜的氧化錫）、AZO（鋁摻雜氧化鋅）、ITO（銦摻雜氧化錫）等。ATO是一種目前應用較為廣泛的透明導電氧化物，具有導電性能好、性質穩(wěn)定、耐高溫等優(yōu)點[6-10]。TiO2棒狀晶須是一種性質穩(wěn)定、價格低廉的材料，耐高溫性能好，化學性質穩(wěn)定且具有一定的催化活性[11-12]，被廣泛用于各個領域[13-15]，并且白度高，還具有消光性質[16]。作為基體材料，棒狀結構在溶液中不易團聚。將ATO包覆在TiO2表面，可以得到一種白度高、導電性好的導電材料，具有較高的應用價值。王少偉[17]將ATO@TiO2導電晶須與PA切片共混后熔融紡絲制備PA復合導電纖維，導電晶須的添加在提高導電性能的同時提高了PA/TiO2導電纖維的熱穩(wěn)定性。高強等[18]以共沉淀法制備了ATO@TiO2納米晶須，經(jīng)正交實驗優(yōu)化后的平均電阻率為13.25 kΩ·cm，并作為導電填料制備出白色P3HB4HB彈性導電纖維。目前為止，ATO的負載技術以共沉淀法為主，田浩等[19]以共沉淀法在硫酸鈣晶須表面包覆ATO制備了復合導電粉末，錢建華等[20]以共沉淀法在球形TiO2表面包覆ATO制備了核殼型導電粉體。

上述方法的弊端是，較大的溶度積差異使得Sb、Sn難以均勻沉淀，影響后續(xù)摻雜效果。同時這種水合沉淀的負載過程需要在較低的溶液pH值條件下進行，因此不可避免地消耗大量的酸和堿原料。而且研究表明，額外引入的雜質離子對最終產(chǎn)品的導電性也存在一定的負面影響。

為解決上述問題，本文以乙酰丙酮為螯合劑，氯化錫與氯化銻為原料，制備了淺藍色的ATO@TiO2導電晶須，該方法條件溫和可控，避免了因溶度積差異造成的摻雜不均勻，以及共沉淀法在較低pH值下大量的酸堿消耗。因此，探討了包覆比（SnO2/TiO2）、摻雜比（Sb2O3/SnO2）、煅燒溫度、乙酰丙酮添加量對ATO@TiO2導電晶須導電性能的影響，優(yōu)化制備工藝，可為纖維用導電材料的開發(fā)提供參考。

1 實 驗

1.1 原 料

SnCl4·5H2O、SbCl3、乙酰丙酮、無水乙醇（國藥集團化學試劑有限公司），均為分析純;去離子水（實驗室自制）。

1.2 樣品制備

1.2.1 TiO2晶須的制備

將TiO2納米粉體與K2CO3固體按1︰3的比例進行充分混合，混合后放入馬弗爐中1 000 ℃高溫煅燒2 h，再使用10 mol/L 的鹽酸酸洗10 h后干燥、放入馬弗爐中700 ℃煅燒1 h制得TiO2晶須。

1.2.2 ATO@TiO2導電晶須的制備

稱取4 g的TiO2晶須，將其分散在溫度恒定60 ℃的去離子水中，形成穩(wěn)定的懸濁液;稱取一定比例的氯化錫氯化銻，溶解于無水乙醇中，量取與金屬氯化物摩爾比例的乙酰丙酮，緩慢滴入到錫銻的無水乙醇溶液中，持續(xù)攪拌并反應2 h，形成澄清的前驅體溶液;將得到的前驅體溶液緩慢滴加到TiO2懸濁液中，并在90 ℃持續(xù)反應2 h，隨后升溫至110 ℃持續(xù)加熱攪拌至溶劑基本蒸發(fā)完畢，將其置入坩堝中400～800 ℃下煅燒后得到淺藍色的ATO@TiO2導電晶須。

1.3 測試與表征

采用S4800型掃描電子顯微鏡（日本日立株式會社）觀察ATO@TiO2導電晶須的微觀形貌和EDS分析，電壓5～10 kV。使用D2 PHASER型X射線衍射儀（德國布魯克AXS有限公司）測試ATO@TiO2導電晶須的物相組成。使用TA-Q500型熱重分析儀（美國TA儀器有限公司）測試ATO@TiO2導電晶須的前驅體分解過程，溫度50～800 ℃，升溫速度10 ℃/min，N2氣氛。電學性能采用SZT-2A型四探針測試儀（蘇州同創(chuàng)電子有限公司）測量ATO@TiO2導電晶須的表面電阻率，測試時稱取0.2 g樣品，20 MPa的壓力壓片3 min。ATO@TiO2導電晶須的白度由CR-14白度儀（日本柯尼卡美能達株式會社）測量。

2 結果與分析

2.1 微觀形貌分析

圖2是ATO包覆TiO2導電晶須的微觀形貌，其中圖2（a）是晶須的SEM微觀形貌，晶須表面光滑，呈纖維狀形態(tài)，長度15～25 μm;圖2（b）是包覆后的晶須，晶須分散良好，在晶須表面包覆層存在ATO包覆層;圖2（c）是包覆ATO后晶須的局部放大，晶須表面存在連續(xù)包覆，且包覆層位于晶須表面，并無明顯的ATO團聚現(xiàn)象，晶須之間互相接觸，足以形成導電網(wǎng)絡。

2.2 物相結構分析

2.2.1 XRD分析

圖3是ATO@TiO2導電晶須的XRD圖譜，通過與PDF 21-1272銳鈦型TiO2的標準卡片對比，自制的TiO2晶須符合銳鈦型TiO2構型;同時制得的ATO@TiO2導電晶須對比PDF 41-1445 SnO2可以看出，其中具有明顯的SnO2衍射峰。在XRD圖譜中并沒有發(fā)現(xiàn)Sb氧化物的峰存在，分析認為主要原因是Sb的摻雜量較少，XRD測試難以檢出;另外是Sb元素較好地摻雜進SnO2中的晶格，取代了Sn的位置，摻雜進晶格后，作為構成SnO2晶體的存在，所以并未出現(xiàn)在XRD測試結果中。

2.2.2 EDS分析

圖4（a）是ATO@TiO2導電晶須的EDS掃描圖，晶須表面主要為Ti元素和O元素，有著Sn和Sb均勻分布;圖4（b）在EDS的掃描中證明了晶須表面主要存在O、Ti、Sn、Sb四種元素，其中Sn、Sb元素基本都分布于晶須的表面，可以推測出在TiO2晶須的表面存在有Sn、Sb元素，即ATO的存在。

2.3 TG分析

乙酰丙酮的螯合物分解較為復雜，本文采用熱重分析儀進行螯合物的分解過程，根據(jù)分解的過程確定最后的煅燒溫度。圖5是前驅體粉體在50～750 ℃的熱重圖，在60、225、375 ℃附近粉體的失重速率較快，前驅體發(fā)生多段分解反應，并產(chǎn)生失重，分析認為失重是有機物中的C元素在高溫發(fā)生多次分解反應造成質量降低。溫度在超過500 ℃后，粉體的質量基本不變，可以推測其基本分解完畢，且在500～750 ℃無明顯變化，綜合前部分導電性能的考慮可以選擇500 ℃作為煅燒溫度較為合適。

2.4 晶須導電性能的分析

對于核殼型的導電粉體，包覆比、摻雜比、煅燒溫度是對于導電粉體導電性能影響最為重要的幾個因素，而乙酰丙酮的添加量對于包覆也是關鍵影響因素，所以選擇以上四個因素探究其對導電晶須的導電性能的影響。根據(jù)前期工作及相關研究為基礎[21-22]，本文選用包覆比為25%、35%、45%、55%、65%，摻雜比為0%、3%、6%、9%、12%，煅燒溫度為400、500、600、700、800 ℃，乙酰丙酮與金屬氯化物的摩爾比為2、4、6、8、10，并在反復實驗的條件下，確定工藝條件優(yōu)化值。

2.4.1 包覆比對導電晶須導電性能的影響

導電ATO層的包覆是晶須具備導電能力的根本原因，選擇摻雜比9%，乙酰丙酮與金屬氯化物的摩爾比6，煅燒溫度500 ℃條件下，分析不同Sn/Ti包覆比對導電性能的影響，如圖6所示。在包覆比15%時，晶須表面包覆層較薄，在包覆完整度方面可能會存在較大差異，在晶須間互相接觸時，未包覆完全的晶須導電性差，影響電子的傳遞，宏觀上使得導電晶須的電阻率較高。隨著包覆比變大，25%～45%對應的表面電阻率逐漸降低，晶須表面包覆的導電層逐漸完整，晶須間形成較為完整的導電網(wǎng)絡。隨著包覆比超過45%后，再增加包覆比并不會降低其表面電阻率，反而會提高其表面電阻率，分析認為過多的包覆影響包覆的平整度，從而影響載流子的傳遞且使得導電晶須的顏色變深[18]。實驗結果表明，包覆比為45%是一個較為合適的工藝參數(shù)。

2.4.2 摻雜比對導電晶須導電性能的影響

選擇包覆比45%，乙酰丙酮與金屬氯化物的摩爾比6，煅燒溫度500 ℃條件下，分析Sb摻雜SnO2的不同摻雜比對導電性能的影響，如圖7所示。根據(jù)晶格缺陷理論，SnO2的Sn4+被Sb5+取代，晶體中存在一個一價正電荷中心和一個未成鍵的價電子，這個價電子容易掙脫形成自由電子，從而使得ATO具有導電能力。在摻雜量較低時，自由電子的數(shù)量較少，使得晶須表面電阻率也較高，隨著摻雜比例的提高，Sn4+被取代的比例也越高，晶體結構中的帶電缺陷增多，且適量的摻雜會改善晶體的結晶度。宏觀表現(xiàn)為表面電阻率降低，包覆后的晶須顏色會變深，在摻雜量達到一定值后，單一的增加摻雜并不會帶來導電能力的提升，反而因為過多的摻雜導致晶格畸變量變多，影響導電能力[23]。

2.4.3 乙酰丙酮用量對導電晶須導電性能的影響

選擇包覆比45%，摻雜比9%，煅燒溫度500 ℃條件下，分析不同乙酰丙酮與金屬氯化物的摩爾比對導電性能的影響，如圖8所示。乙酰丙酮作為一種常用的金屬螯合劑，在反應中起到橋接的作用，如圖9所示。首先乙酰丙酮與溶液中的Sn4+和Sb3+反應生成螯合物，螯合物在懸濁液中受到TiO2表面羥基吸引，再經(jīng)過干燥煅燒后形成氧化物包覆，所以乙酰丙酮量在較少時，反應的量較少，在煅燒后形成的包覆較少，此時晶須的電阻率較高。隨著乙酰丙酮添加量的提升，溶液中的Sn4+和Sb3+反應基本完全，此時煅燒后的實際包覆比例也提高，在添加量過高時，乙酰丙酮更多以分子形式存在于溶液中，在煅燒過程中造成局部溫度差異，影響螯合物的熱分解。

2.4.4 煅燒溫度對導電晶須導電性能的影響

選擇包覆比45%，摻雜比9%，乙酰丙酮與金屬氯化物的摩爾比6條件下，分析不同煅燒溫度對導電性能的影響，如圖10所示。煅燒溫度是影響導電晶須電阻率較為顯著的一個因素，晶須的導電能力來源于螯合物在高溫下分解形成導電層，從而包覆晶須。在溫度較低時，一方面螯合物分解不完全，難以形成連續(xù)包覆從而影響導電能力，而螯合物及其未分解完全的產(chǎn)物并無導電能力;另一方面過低的溫度使得Sb3+僅有部分轉化為Sb5+，從而影響摻雜效果，因此合適的溫度使得螯合物能夠完全分解為氧化物，實驗中500 ℃條件下所得晶須的表面電阻率最低。在溫度達到螯合物完全分解之后，再提高煅燒溫度反而會影響電阻率的降低，分析認為是高溫導致晶格的畸變量增加，TiO2和ATO層在受熱不均勻變形過程中影響包覆均勻度[19]，導致晶須導電能力的下降。

2.5 ATO@TiO2導電晶須的白度分析

對ATO@TiO2白度值影響最大的因素是包覆比和摻雜比[22]，基于此對所制得的ATO@TiO2導電晶須進行白度值測量，結果如圖11所示。從圖11（a）看出，隨著摻雜比的增加，更多的Sb5+取代Sn4+進入晶格中，但由于隨著Sb5+與Sn4+的半徑不同，摻雜后造成的晶格畸變也越大，這會導致光線進入后發(fā)生更多的散射，光透過率下降，直接影響最終產(chǎn)品的白度，而且會隨摻雜比的增加持續(xù)下降。從圖11（b）看出，隨著ATO包覆厚度的增加，白度值也隨之下降，這是因為隨著包覆比的增加，晶須表面膜層逐漸完善，在包覆厚度較厚時，表面分布不勻和ATO膜層的共同作用下，所以隨著包覆比的增加白度值會隨之降低，但包覆較為完全后下降緩慢。在優(yōu)化工藝條件下，包覆比45%、摻雜比9%、乙酰丙酮與金屬氧化物的摩爾比6、煅燒溫度500 ℃，晶須的白度值為74.0。

3 結 論

本文探討了包覆比（SnO2/TiO2）、摻雜比（Sb2O3/SnO2）、煅燒溫度、乙酰丙酮添加量對ATO@TiO2導電晶須導電性能的影響，該合成方法避免了因溶度積差異造成的摻雜不均勻，以及共沉淀法在較低pH值下大量的酸堿消耗。

1）包覆后的ATO無明顯團聚現(xiàn)象，晶須表面存在連續(xù)包覆。

2）在包覆比45%、摻雜比9%、乙酰丙酮與金屬氯化物摩爾比6，煅燒溫度500 ℃時，制得的ATO包覆TiO2導電晶須的導電性能達到優(yōu)化值，粉體的表面電阻率為6.32 kΩ·cm。

3）導電晶須的白度值隨著包覆比和摻雜比的增加而下降，在優(yōu)化后的工藝條件下白度值為74.0。

參考文獻：

[1]ZENG Wei， SHU Lin， LI Qiao， et al. Fiber-based wearable electronics： a review of materials， fabrication， devices， and applications[J]. Advanced Materials， 2014， 26（31）： 5310-5336.

[2]張忠峰， 王克儉. 電磁屏蔽及抗靜電包裝塑料及應用[J]. 塑料包裝， 2019， 29（3）： 1-5.

ZHANG Zhongfeng， WANG Kejian. Electromagnetic shielding and antistatic packaging plastics and their applications[J]. Plastics Packaging， 2019， 29（3）： 1-5.

[3]葉鳳林， 王海興， 崔麗榮. 抗靜電劑在玻璃纖維生產(chǎn)中的應用[J]. 化工管理， 2019（21）： 186-187.

YE Fenglin， WANG Haixing， CUI Lirong. The applications of antistatic agent on the production of glass fiber[J]. Chemical Enterprise Management， 2019（21）： 186-187.

[4]WANG Mingxu， GAO Qiang， DUAN Hao， et al. Scalable synthesis of high-purity TiO2 whiskers via ion exchange method enables versatile applications[J]. RSC Advances， 2019， 9（41）： 23735-23743.

[5]王鵬， 張瑜， 陳彥模. 復合型導電纖維的制備及其開發(fā)現(xiàn)狀[J]. 合成纖維， 2004， 33（S1）： 18-20.

WANG Peng， ZHANG Yu， CHEN Yanmu. The development and preparation of composite electrically conductive fiber[J]. Synthetic Fiber in China， 2004， 33（S1）： 18-20.

[6]王怡， 王春曉， 王首華， 等. 納米ATO透明隔熱涂料的制備與性能研究[J]. 涂料工業(yè)， 2019， 49（10）： 43-47.

WANG Yi， WANG Chunxiao， WANG Shouhua， et al. Preparation and properties of nano ATO transparent thermal insulation coatings[J]. Paint and Coating Industry， 2019， 49（10）： 43-47.

[7]王靚， 趙石林. 納米氧化錫銻透明隔熱涂料的制備及性能研究[J]. 涂料工業(yè)， 2004， 34（10）： 4-8.

WANG Liang， ZHAO Shilin. Study on preparation and performance of nano antimony tin oxide（ATO） based transparent heat insulation coatings[J]. Paint and Coating Industry， 2004， 34（10）： 4-8.

[8]ZHANG Jianrong， GAO Lian. Synthesis and characterization of antimony-doped tin oxide（ATO） nanoparticles[J]. Inorganic Chemistry Communications， 2004， 7（1）： 91-93.

[9]MLLER V， RASP M， TEFANIC G， et al. Highly conducting nanosized monodispersed antimony-doped tin oxide particles synthesized via nonaqueous sol-gel procedure[J]. Chemistry of Materials， 2009， 21（21）： 5229-5236.

[10]MOHAMMED M R， JAHIR A， ABDULLAH M， et al. Development of creatine sensor based on antimony-doped tin oxide（ATO） nanoparticles[J]. Sensors & Actuators： B Chemical， 2017： 242.

[11]WANG Lianzhou， SASAKI T. Titanium oxide nanosheets： graphene analogues with versatile functionalities[J]. Chemical Reviews， 2014， 114（19）： 9455-9486.

[12]李大玉， 張文韜， 張超. 不同種類金屬摻雜改性TiO2材料光催化性能的研究進展[J]. 材料導報， 2019， 33（23）： 3900-3907.

LI Dayu， ZHANG Wentao， ZHANG Chao. Research progress in improving the photocatalytic properties of TiO2 materials by doping different metals[J]. Materials Reprots， 2019， 33（23）： 3900-3907.

[13]劉于民. 二氧化鈦表面功能化及應用研究[D]. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學， 2011.

LIU Yumin. Surface Functionalization of TiO2 and the Application[D]. Zhenjiang： Jiangsu University， 2011.

[14]WANG Yanli， ZHANG Shenhua， WANG Ping， et al. Synthesis and corrosion protection of Nb doped TiO2 nanopowders modified polyaniline coating on 316 stainless steel bipolar plates for proton-exchange membrane fuel cells[J]. Progress in Organic Coatings， 2019， 137： 105327.

[15]LIU Xinghua， ZHAO Lijiang， WANG Shitong， et al. Hierarchical-structure anatase TiO2 with conductive network for high-rate and high-loading lithium-ion battery[J]. Science Bulletin， 2019， 64（16）： 1148-1151.

[16]劉婉婉. 纖維用淺色ATO@TiO2導電晶須的制備及性能研究[D]. 無錫： 江南大學， 2018.

LIU Wanwan. Preparation and Properties of Fiber Used Conductive ATO@TiO2 Whisker with Light Color[D]. Wuxi： Jiangnan University， 2018.

[17]王少偉. 改性二氧化鈦/PA6導電纖維的制備及其性能研究[D]. 無錫： 江南大學， 2013.

WANG Shaowei. Preparation and Properties of Modificated Titanium Dioxide/PA6 Conductive Fiber[D]. Wuxi： Jiangnan University， 2013.

[18]高強， 馬慧， 劉婉婉， 等. 導電ATO@TiO2納米晶須的制備工藝優(yōu)化研究[J]. 化工新型材料， 2016， 44（9）： 81-83.

GAO Qiang， MA Hui， LIU Wanwan et al. Process optimization of electroconductive ATO@TiO2 nano whisker[J]. New Chemical Materials， 2016， 44（9）： 81-83.

[19]田浩， 古文全， 聶登攀， 等. ATO/CaSO4復合導電粉制備的研究[J]. 化工新型材料， 2012， 40（10）： 99-101.TIAN Hao， GU Wenquan， NIE Dengpan， et al. Preparation research of ATO/CaSO4 composite conductive powders[J]. New Chemical Materials， 2012， 40（10）： 99-101.

[20]錢建華， 劉嬌， 許家勝， 等. 不同粒徑TiO2包覆氧化錫銻后的導電性研究[J]. 功能材料， 2017， 48（2）： 2013-2019.

QIAN Jianhua， LIU Jiao， XU Jiasheng， et al. The conductivity research of different particle sizes of titanium dioxide coated antimony tin oxide[J]. Journal of Functional Materials， 2017， 48（2）： 2013-2019.

[21]GALAVIZ-PEREZ J A， CHEN Fei， SHEN Qiang， et al. Enhancement and optimization of ATO nano-crystalline films properties by the addition of acetylacetone as modifier in the sol-gel process[J]. Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition， 2015， 30（5）： 873-881.

[22]LIU Wanwan， WANG Yangyi， GE Mingqiao， et al. One-dimensional light-colored conductive antimony-doped tin oxide@TiO2 whiskers： synthesis and applications [J]. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2018， 29（1）， 619-627.

[23]王英. 摻銻氧化錫導電復合材料的性能研究[D]. 天津： 天津大學， 2014.WANG Ying. The Properties of Antimony Doped Tin Oxide Composite Materials[D]. Tianjin： Tianjin University， 2014.