抗静电聚苯胺改性羊毛纤维的制备

张洪锋，杨锦锦，吴壮壮，梁 婧，王小聪

(天津科技大学化工与材料学院，天津 300457)

静电在日常生活中普遍存在，它给一些行业和日常生活带来许多不便，尤其是服装静电.服装静电有很强的吸尘作用，既脏污衣服又损害健康；在某些特殊的环境中，当静电电荷不断积累，超过一定值时，甚至会诱发爆炸和火灾事故.随着电子工业的发展，静电在电子工业的生产和使用方面造成巨大的经济损失，电子工业部门每年因静电危害损坏造成的损失高达百亿美元[1-3].种种迹象表明，服装静电对许多行业都有影响，日常生活对于功能性服装的需求逐渐升高，因此，在生产生活中减少或消除服装静电具有重要意义.

目前，抗静电织物的生产技术有3 种：一是使用抗静电剂；二是导电纤维的混纺与嵌织；三是化学改性.抗静电剂(如纳米MgO)整理技术，其耐久性是相对的，随着时间的延长，抗静电性能会逐渐下降；绝大多数防静电织物是采用导电纤维制作的，但掺杂金属丝会由于金属纤维的细度和柔韧性的影响，使其应用被限制在一定范围内，且抗静电性与嵌入导电纤维所占比例有关；化学改性一般采用对成纤高聚物进行共混、共聚合、接枝改性引入亲水性极性基团，能够提高纤维的吸湿性，从而加快电荷的散逸[4-7]；也有研究者采用金属氧化物熔融纺丝技术制备导电纤维，但此方法价格昂贵[8].羊毛是纺织工业中占据重要比例的纤维之一，羊毛具有复杂的表面结构，外表皮层紧密，硬度大且具有疏水性质[9-10]，具有超高的电气绝缘性能，因此静电现象尤为严重.

导电高聚物聚苯胺不仅具有良好的电化学性能和加工性能，而且价格低廉，具有可调的电导率以及可逆的掺杂/脱掺杂的特性[11-12].因此，本文以羊毛为基底材料，采用原位吸附聚合法，制备抗静电聚苯胺改性羊毛纤维，从而改变羊毛材料的绝缘性.采用扫描电镜、傅里叶红外光谱仪、X 射线衍射仪和纤维比电阻仪对改性纤维的结构和性能进行详细表征.该方法不仅反应过程简单，无污染物产生，且成本低廉[13-14]，适于批量生产.

1 材料与方法

1.1 原料与仪器

含羊毛80%的毛线，恒源祥公司；苯胺，分析纯，国药集团化学试剂有限公司，使用前经重蒸处理；过硫酸铵(APS)、硫酸、无水乙醇，分析纯，天津化学试剂公司；去离子水.

SU1510 型扫描电子显微镜，日立高新技术公司；IS50 型傅里叶变换红外光谱仪，赛默飞世尔科技；6100 型X 射线衍射仪，日本岛津公司；YG321 型纤维比电阻仪，常州二纺精密机械有限公司.

1.2 改性纤维的制备

称取15.026 g 毛线进行预处理.将其用去离子水冲洗后，浸泡在400 mL 质量分数为10%的乙醇溶液中，利用超声清洗仪去掉表面的不溶物和油脂，室温下干燥.将预处理好的毛线再浸入400 mL 不同浓度的苯胺溶液中，用硫酸将溶液的pH 调至2(形成苯胺盐溶液)，浸泡30 min，以保证苯胺单体在羊毛纤维表面达到动态吸附平衡.加入氧化剂(过硫酸铵)引发聚合，室温下反应 24 h，保证苯胺聚合反应完全.反应完成后，将改性纤维取出并用乙醇和去离子水洗涤至上清液无色且溶液显中性，将处理好的改性纤维置于室温下自然晾干，以备测试.

1.3 测试与表征

采用扫描电子显微镜观察改性纤维的微观形貌；采用傅里叶变换红外光谱仪测定样品的红外光谱；采用X 射线衍射仪研究结晶情况.

采用纤维比电阻仪(量程为1～107MΩ/cm)测量改性纤维的比电阻值.称取15 g 纤维均匀填入纤维测试盒内，将被测纤维试样置于温度为室温，相对湿度为65%±10%的环境中平衡4 h 后进行测试.

2 结果与讨论

2.1 形貌分析

空白羊毛线和聚苯胺改性羊毛线的光学照片如图1 所示.由图1 可知：羊毛线聚苯胺改性后得到绿色的改性纤维.

图1 羊毛线及聚苯胺改性羊毛线的光学照片Fig.1 Optical photos of wool thread and polyaniline modified wool thread

常规羊毛纤维及其聚苯胺改性纤维的扫描电镜图如图2 所示.从空白羊毛纤维和聚苯胺改性羊毛纤维的SEM 图像可以看出：羊毛是细长的实心圆柱体，常规羊毛线表面有重叠覆盖的鳞片层，其形状和排列使羊毛具有超高的电气绝缘性，静电现象严重；改性纤维表面光滑，鳞片结构被聚苯胺完全包覆，能够有效减少在纺织和使用过程中的摩擦，穿着舒适感能得到较大改善.

图2 羊毛纤维及其聚苯胺改性纤维的扫描电镜图Fig.2 SEM images of wool fiber and polyaniline modified fiber

2.2 红外光谱分析

羊毛纤维、聚苯胺和聚苯胺改性羊毛纤维的红外光谱图如图3 所示.

图3 不同样品的红外光谱图Fig.3 FTIR spectra of different samples

图3 中3 430 cm-1处的宽吸收峰归属于—OH 的伸缩振动.在聚苯胺的谱图中，1 582 cm-1处的吸收峰是醌式结构伸缩振动特征峰，1 492 cm-1处的吸收峰是聚苯胺分子中苯环结构的伸缩振动特征峰[15].通过对比发现，改性纤维较羊毛纤维在1 492 cm-1处出现了苯环结构的特征峰，表明存在聚苯胺的翠绿亚胺盐.聚苯胺在1 046 cm-1处吸收峰归属于苯环上C—H 的弯曲振动[16]，经过聚苯胺改性之后改性纤维谱图中出现此峰.因此，说明反应过后改性纤维中存在聚苯胺.

2.3 XRD分析

空白羊毛纤维、苯胺与过硫酸铵物质的量比不同的改性纤维以及聚苯胺的XRD 谱图如图4 所示.

图4 不同样品的XRD谱图Fig.4 XRD patterns of different samples

从图4 中聚苯胺的谱图可以看到2θ=20°和25°处的两个特征性宽峰，表明聚苯胺是短程有序的半结晶态[17].图4 中，在2θ=44°、64°和77.5°处都出现了衍射峰，空白羊毛纤维和聚苯胺在这3 处的衍射峰强度较弱，而改性纤维的峰强度明显增强，这是因为大量氨基存在聚苯胺结构中，可形成氢键，使改性纤维更容易形成结晶区.图中改性纤维与聚苯胺，空白羊毛纤维在这3 处衍射峰的位置完全吻合，说明羊毛经过聚苯胺的改性后并未改变物质本身的性质，适用于抗静电织物的制备.

2.4 比电阻分析

采用纤维比电阻仪可以测试改性纤维的导电性能，空白纤维、改性纤维及经过多次水洗的纤维比电阻结果见表1.聚苯胺材料有优秀的导电性和电化学性能，环境的改变能使其化学性能和导电性能发生改变[18].由表1 可知：常规羊毛的比电阻为1.46×107MΩ/cm，经过不同掺杂比例处理的聚苯胺改性羊毛纤维，其比电阻值较常规羊毛纤维都有所降低.其中，样品3 改性纤维比电阻最小，其值较普通羊毛线至少降低了7 个数量级，具有较好的抗静电性能.水洗100 次后，改性纤维的比电阻值基本不变，说明得到的改性纤维具有较好的耐水洗性.导电纤维通常是指在标准状态下(20 ℃，相对湿度65%)比电阻在107Ω/cm 以下的纤维，水洗前后样品3 比电阻值的数量级都在抗静电的要求范围内，具有较好的抗静电性能.因此，以0.2 mol/L 苯胺盐溶液，n(苯胺)∶n(过硫酸铵)=1∶1 的制备条件下得到的改性纤维具有抗静电性和耐水洗性.

表1 水洗次数对比电阻的影响Tab.1 Effect of water washing times on specific resistance

3 结 论

(1)红外光谱证明了改性纤维中存在聚苯胺，扫描电镜图中聚苯胺改性羊毛纤维表面几乎没有鳞片结构，表明聚苯胺包覆在羊毛纤维表面.

(2)XRD 测试结果表明，聚苯胺在纤维表面的改性并未影响纤维的结构性能.

(3)以0.2 mol/L 苯胺盐溶液，n(苯胺)∶n(过硫酸铵)=1∶1 的制备条件下得到的聚苯胺改性羊毛纤维，其比电阻能够降低107Ω/cm，使其具有较好的抗静电性能.经过多次水洗，其比电阻值变化不大，说明改性纤维具有良好的耐洗性和抗静电性，适用于抗静电织物的制备.