耐久抗静电和导电性黑色涤纶织物的制备及其性能

候礼文 朱亚伟 赵晓华 肖瀛洲

摘要： 为制备抗静电和导电的黑色涤纶织物，文章研究了基于水性纳米炭黑乳液和黏合剂分别与液体分散黑染料、树脂增深剂的同浴轧染整理，对薄型涤纶双绉织物抗静电性和厚型涤氨纶织物导电性及色深度的影响。结果表明：当炭黑2860F、分散黑GK和黏合剂5S的质量分数为5.0%、6.0%和4.0%时，薄型涤纶双绉具有优异的抗静电效果，经10次水洗后抗静电效果仍为A级;当炭黑2860F、树脂增深剂MD和黏合剂5S的质量分数为15.0%、4.0%和15.0%时，厚型涤氨纶织物具有优异的导电性，经10次水洗后织物电阻和电阻率分别为5.07 kΩ和8.77 kΩ·cm;2种试验织物手感柔软，且摩擦色牢度都不低于3～4级。

关键词：

炭黑;涤纶织物;抗静电性;导电性;色牢度;轧染整理

中图分类号： TS101.923;TQ342.2

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2021）10-0012-06

引用页码： 101103

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.10.003（篇序）

Preparation and properties of durable antistatic and conductive black polyester fabrics

HOU Liwen1， ZHU Yawei1， ZHAO Xiaohua2， XIAO Yingzhou3

（1.College of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou 215021， China; 2.Suzhou Inster Textile Digital Technology Co.， Ltd.，Suzhou 215129， China; 3.Zhuji Yuezhou New Material Co.， Ltd.， Shaoxing 311803， China）

Abstract：

To prepare antistatic and conductive black polyester fabric， this paper is focused on investigating the effects of water-based nano-carbon black emulsions and adhesives on the antistatic property， conductivity and color depth of thin polyester crepe de chine fabric when co-bath pad dyeing finishing with liquid disperse black dyes and resin deepening agents respectively. The results show that when the mass fractions of carbon black 2860F， disperse black GK and adhesive 5S is 5.0%， 6.0% and 4.0%， respectively， thin polyester double crepe fabric has excellent antistatic effect， and its antistatic effect still maintain A grade after 10 times of washing， When the mass fractions of carbon black 2860F， resin sounder MD and binder 5S is 15.0%， 4.0% and 15.0%， respectively， the thick polyester spandex fabric has excellent electrical conductivity， and after 10 times of washing， its resistance and resistivity is 5.07 kΩ and 8.77 kΩ·cm， respectively. The two fabrics have soft hand feel， with a friction color fastness of not lower than 3-4 grade.

Key words：

carbon black; polyester fabric; antistatic property; electrical conductivity; color fastness; pad dyeing finishing

收稿日期： 2021-04-01;

修回日期： 2021-09-14

基金項目： 纺织行业纺织材料阻燃整理重点实验室建设经费资助项目（Q811580421）

作者简介： 候礼文（1996），男，硕士研究生，研究方向为染料商品化技术及纺织印染新技术。通信作者：朱亚伟，教授，yaweizhu@suda.edu.cn。

涤纶织物的耐久性抗静电一直是纺织领域的技术难点，如今以柔性和高附加值的智能型导电和抗静电纺织面料已被许多行业所吸引，开发导电和抗静电的涤纶织物具有巨大的市场需求。原料来源广泛和低价的碳基材料，如导电炭黑和石墨烯等，具有优良的导电性，已开始受到纺织行业的重视。导电炭黑和石墨烯虽具有优良的导电性，但碳基材料缺乏与涤纶织物的亲和性，仍需要通过对炭黑进行改性、修饰和借助黏合剂等才能固着于纤维纱线间和纤维表面[1]。导电性碳基材料常采用印制、涂层、浸轧、自组装沉积负载等方法施加于纤维或织物表面，纤维表面的有效导电组份含量决定了导电性的强弱，可进一步制得抗静电和导电的织物。如将含纳米炭黑和黏合剂的色浆直接印制在涤纶织物上，能制备出静电压和半衰期分别为740 V和3.79 s的抗静电涤纶[2];涤纶织物经4次导电炭黑涂层，其表面电阻为1.20 kΩ[3];将炭黑分散在PET树脂或含苯酚/四氯乙烷溶液、钛酸酯偶联剂的PET树脂中，再均匀涂层涤纶纤维，能制备出表面电阻约300 Ω和电阻率为102 Ω·cm的涤纶导电纤维[4-5];以聚乙撑二氧噻吩、聚苯乙烯磺酸盐、炭黑为导电性材料，丙烯酸乙烯酯为黏合剂，采用浸渍法能制备出电阻为300～500 Ω的导电涤纶纤维[6];在涤纶织物表面经纳米炭黑和多巴胺室温自聚合24 h，仅能制得电阻为14 kΩ的导电涤纶织物[7]。为增加导电涤纶织物的导电性，导电性更强的石墨烯也得到广泛的研究。如将多巴胺原位聚合和氧化石墨烯循环浸渍层层自组装负载制备抗静电涤纶织物，平纹和斜纹涤纶织物的静电压（半衰期）分别为1 156 V（1.210 s）和1 243 V（1.510 s）[8];将石墨氧化为氧化石墨烯，再用水合肼将氧化石墨烯还原成石墨烯，结合水性聚氨酯的轧烘焙工艺制备的抗静电涤纶织物，其静电压（半衰期）为932 V（0.54 s）[9];先将涤纶经乙二胺和氢氧化钠改性，再浸渍氧化石墨烯和还原成还原氧化石墨烯，制得电阻为14.575 kΩ的导电涤纶织物[10]。

导电性碳基材料是目前研究的热点，但在纺织行业的应用仍存在困难，一是碳基材料的黑灰色特性，二是碳基材料与纤维结合牢度和柔软手感的协同和平衡，三是碳基材料在织物上施加方式选择和吸附量，四是水性改性碳基材料本身性能及放置稳定性。为此，本文制备了高质量分数和稳定的水性纳米级炭黑乳液，采用轧烘焙工艺，探讨炭黑分别与黑色分散染料、增深树脂、黏合剂同浴处理，制备深黑色抗静电或导电的涤纶织物。

1 试 验

1.1 材料和仪器

织物：100%涤纶的涤纶双绉（平方米质量75 g/m2）和92%涤纶、8%氨纶混纺的涤氨纶（平方米质量349 g/m2）（吴江和盛至美时装面料有限公司）。

试剂：粉状炭黑2860F（安徽黑钰颜料新材料有限公司），由分散蓝79、橙44、紫93组成的强度为120%的液体分散黑GK和阴离子型匀染剂MP（诸暨市悦洲新型材料有限公司），增深树脂MD（改性丙烯酸环氧树脂）、流平剂L229（端羟基超支化聚酯）、研磨剂AL50（阴/非离子表面活性剂复合物）、涂料印花黏合剂HS和阴离子型渗透剂XT（苏州常春藤进出口有限公司），丙烯酸酯类黏合剂MN、丙烯酸酯类黏合剂FC65、丙烯酸酯-丙烯腈-有机硅改性共聚物黏合剂5S（自制），仿活性涂料印花黏合剂HF（合肥聚合辐化技术有限公司），水性聚氨酯PU10（深圳市吉田化工有限公司），均为工业级。

仪器：EL-400型立式轧车（上海朗高纺织设备有限公司），10L氧化锆研磨机（定制），Zetasizer Nano ZS90粒度仪（英国Malvern公司），Ultranscan-XE电脑测色配色仪（美国Hunter Lab公司），S-5109型静电测试仪（日本Shishico公司），ST2258C型多功能数字式四探针电阻测试仪（苏州晶格电子有限公司），KES织物风格仪（日本京都大学），H-9500ETEM透射电镜（日本日立公司），Y571B型摩擦色牢度仪、SW-24型水洗色牢度仪（宁波纺织仪器厂）。

1.2 方 法

1.2.1 水性纳米炭黑乳液制备

在立式连续氧化锆研磨机中，将720.0 g炭黑2860F粉体、208.8 g研磨剂AL50、43.2 g防沉剂L229和1 908.0 g水混合，研磨1 h，过滤制得质量分数为25%的水性炭黑2860F纳米乳液。

1.2.2 轧染整理工艺

配制染色整理液→二浸二轧（带液率85%）→烘干→焙烘（180 ℃，3 min）→热水洗（80 ℃，5 min）→烘干。

1.3 性能测试

1.3.1 水性纳米炭黑乳液粒径大小和微观形貌

在Zetasizer Nano ZS90粒度仪上测试水性纳米炭黑乳液的平均粒径D50（nm）和分散指数PDI;在H-9500ETEM透射电镜上观察水性纳米炭黑乳液的微观形貌。

1.3.2 织物抗静电性和导电性

在S-5109型静电测试仪上测试静电电压（kV）和半衰期（s），在ST2258C型多功能数字式四探针电阻测试仪上测试电阻（kΩ）和电阻率（kΩ·cm），测试条件为温度20 ℃、湿度35%，试样平衡24 h，测试5次取平均值。

1.3.3 織物染色性能

在Ultranscan-XE电脑测色配色仪上测试明度（L*值），测试3次取平均值。在Y571B型摩擦色牢度仪上按GB/T 3920—2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》测试色牢度;在SW-24型水洗色牢度仪上进行耐水洗性试验，水洗温度50 ℃，皂液4 g/L，时间45 min，浴比1︰10。

1.3.4 织物弯曲性能

在KES织物风格仪上按照FZ/T 01054.1—1999《织物风格试验方法总则》测试弯曲刚度（B值，cN·cm2·cm-1=cN·cm）和弯曲滞后距（2HB值，cN·cm·cm-1=cN），测试条件为温度20 ℃、湿度65%，试样平衡24 h，测试3次取平均值。

2 结果与分析

2.1 水性纳米炭黑乳液的性能

纳米炭黑2860F乳液的粒径D50和分散指数PDI随着放置时间的变化，能间接表明水性纳米乳液的放置稳定性。图1为自制炭黑乳液的放置稳定性。由图1可知，随着放置时间的增加，炭黑乳液D50和PDI分别为147.21～162.27 nm和0.63～0.75，其D50和PDI变化较小;这说明在防沉剂和研磨剂的共同作用下，炭黑微粒间存在斥力，不会产生沉降和团聚现象，具有良好的分散和放置稳定性，如炭黑乳液放置45 d，D50仅增加约15 nm。

图2为炭黑2860F乳液的透射电镜图。由图2（a）可知，炭黑乳液的微观形貌呈不规则圆型，粒径125～155 nm，说明分散剂和防沉剂与炭黑存在相互作用，将炭黑包覆;而聚集体呈链状结构和少量片层状结构（图2（b））。基于炭黑能形成纳米级的链状聚集体，能增强助剂与炭黑的相互作用力，能有效防止微粒间的聚集，能在水性体系中稳定分散，这是水分散性纳米粉体应用的前提之一。

2.2 水性纳米炭黑乳液整理涤纶织物的性能

固定液体分散黑GK、黏合剂5S和匀染剂MP的质量分数分别为6.0%、4.0%和0.5%，炭黑2860F乳液质量分数对涤纶双绉织物性能的影响见表1。由表1可知，当浸轧染液中不含有炭黑2860F时，制备的黑色织物具有优异的摩擦色牢度，摩擦色牢度都不低于4级，但不具有抗静电性，静电电压达1.26 kV，半衰期高于60 s;随着炭黑质量分数或增重率的增加，涤纶双绉的摩擦色牢度降低，湿摩擦色牢度下降更明显;但增加了抗静电性，如炭黑为5%时，静电电压为0 kV，半衰期为0 s，具有优异的抗静电性;继续增加炭黑质量分数，因炭黑与纤维缺乏亲和力，过量的炭黑吸附会导致炭黑在织物表面分布不匀引起静电电压稍有增加。另外，增加炭黑质量分数，黑色涤纶双绉的L*值增加，织物色深度下降，这是因为炭黑是一种标准黑，黑度比分散黑GK低，炭黑在纱线间及纤维表面的覆盖，对分散染料起到一定的消色作用，降低了L*值和摩擦色牢度。

固定聚氨酯PU10、匀染剂MP和渗透剂XT的质量分数分别为10.0%、1.0%和1.0%，炭黑2860F乳液质量分数对涤氨纶织物性能的影响见表2。由表2可知，随着浸轧染液中炭黑乳液质量分数的增加，涤氨纶织物的色深度呈先降低后增加的变化，这说明增加炭黑质量分数并不能明显提高织物色深度，反而会引起湿摩擦色牢度的极明显下降，而干摩擦色牢度的下降较小。增加炭黑质量分数，涤氨纶织物的电阻和电阻率明显降低，具有良好的导电性，如炭黑为15.0%时，涤氨纶织物的电阻和电阻率分别为1.98 kΩ和3.61 kΩ·cm，但湿摩擦色牢度仅为2级。

综上，当炭黑质量分数为4%和5%时，能分别制备出半衰期低于5 s的B级和低于2 s的A级抗静电涤纶双绉织物;当炭黑质量分数为15%和20%时，能分别制备出电阻低于2×103 Ω和1×103 Ω的优良导电性的涤氨纶织物;但摩擦色牢度都较差。

2.3 黏合剂整理涤纶织物的性能

固定液体分散黑GK、炭黑2860F和匀染剂MP的质量分数分别为6.0%、5.0%和0.5%，分别加入3.0%的5种黏合剂（MN、HF、HS、FC65和5S），不同种类的黏合剂对涤纶双绉织物性能的影响见表3。由表3可知，黏合剂种类对涤纶双绉织物的增重率和L*值的影响较小，但会明显影响到织物的抗静电效果和摩擦色牢度。黏合剂MN的摩擦色牢度不低于3级，但抗静电效果为C级;黏合剂HS的摩擦色牢度最低，且抗静电效果最差，静电电压为0.75 kV，半衰期为36.00 s。而3种黏合剂（HF、FC65和5S）的摩擦色牢度和抗静电效果接近，黏合剂HF和FC65的静电效果为B级;黏合剂5S的抗静电效果最好，静电电压和半衰期分别为0 kV和0 s，抗静电效果为A级，具有优异的抗静电性。黏合剂多是丙烯酸和丙烯酸酯共聚物，当丙烯酸或甲基丙烯酸含量增加时，因—COOH的亲水性，对静电的影响较小，如黏合剂MN和HF;当增加丙烯酸丁酯含量，虽增加了黏合剂的柔软性，但酯键的疏水性对静电的影响最大，如黏合剂HS;黏合剂5S中除含有少量丙烯酸外，结构中引入丙烯腈和有机硅D4，能减弱丙烯酸丁酯对静电的不利影响。

优选的黏合剂为黏合剂5S，改变黏合剂5S质量分数，染料黑GK/炭黑2860F同浴整理的涤纶双绉织物性能见表4。由表4可知，随着黏合剂5S质量分数或增重率增加，对涤纶双绉的抗静电效果较小，最高的静电电压为0.01 kV，半衰期为0 s，抗静电效果均为A级;黏合剂5S质量分数对色深度的影响较小，但对摩擦色牢度的影响很大，当黏合剂5S质量分数为4.0%时，摩擦色牢度不低于3级。

固定炭黑2860F、匀染剂MP和增深剂MD的质量分数分别为15.0%、1.0%和4.0%，分别加入10%的5种黏合剂（HF、FC65、5S、PU10和HS），黏合剂种类对涤氨纶织物性能的影响见表5。由表5可知，5种黏合剂质量分数对织物色深度和增重率的影响较小，对干摩擦色牢度无影响，会明显降低湿摩擦色牢度;不同黏合剂对电阻和电阻率的影响较明显，2种黏合剂（FC65和PU10）的电阻和电阻率较高，电阻高于2.0 kΩ，降低了织物的导电性;3种黏合剂（HF、5S和HS）的电阻低于2.0 kΩ，以黏合剂5S的导电性最好，电阻和电阻率分别为1.46 kΩ和2.53 kΩ·cm，但湿摩擦色牢度仅为2级。

与涤纶双绉相比，厚重的涤氨纶织物增重率明显增大，织物上炭黑质量分数明显增加，炭黑导电性更依赖于颗粒接触面积的增大和制备、改性方法[11]，如导电炭黑的石墨化度越高，粒径越小，表面极性越强，其导电性越好[12];另外，少量二维片层状平带结构的电子相互间作用力很强，能产生特殊的电学性能[13]。因此，当织物上炭黑质量分数较高时，黏合剂在织物表面的成膜性能的优劣会影响到织物导电性，如成膜较好和较硬的聚氨酯PU10和黏合剂FC对导电性影响较大，而成膜较好和较柔软的黏合剂5S对导电性影响较小。

优选的黏合剂为黏合剂5S，改变其质量分数，炭黑2860F/增深剂MD同浴整理的涤氨纶织物性能见表6。由表6可知，随着黏合剂5S质量分数或增重率增加，轻度降低了织物色深度，增加了织物电阻和电阻率，降低了织物的导电性;提高了湿摩擦色牢度，当黏合剂5S为25%时，湿摩擦色牢度达3～4级，但织物的手感较硬;优化的黏合剂5S质量分数为15.0%，织物的电阻和电阻率分别为4.31 kΩ和7.50 kΩ·cm，摩擦色牢度不低于3级，具有良好的导电性能，织物有柔软的手感。

2.4 炭黑整理涤纶织物的耐水洗性和风格

采用上述优化工艺，涤纶双绉织物为6.0%液体分散黑GK、5.0%炭黑2860F、4.0%黏合剂5S;涤氨纶织物为15.0%炭黑2860F、4.0%增深剂MD、15.0%黏合剂5S。分别制备了黑色抗静电涤纶双绉织物和黑色导电涤氨纶织物，经水洗，其性能变化见表7和表8。

由表7可知，涤纶双绉织物经炭黑整理，其静电电压由1.28 kV下降至0 kV，半衰期为0 s，摩擦色牢度不低于3级;经5次和10次水洗，仍具有优异的抗静电性，静电电压仅为0.01 kV，半衰期为0 s，且水洗能去除织物少量未固着的炭黑，摩擦色牢度不低于3～4级;与原布相比，炭黑整理涤纶双

绉织物的B值变化较小，2HB值增加，说明经炭黑整理不会改變织物弯曲刚性，但织物反弹性稍有下降。由表8可知，涤氨纶织物经炭黑整理，其电阻下降了108 kΩ，织物电阻和电阻率分别为4.31 kΩ和7.50 kΩ·cm，具有优异的导电性，摩擦色牢度不低于3级;经5次和10次水洗，仍具有优异的导电性，其电阻和电阻率下降率都低于18%。同样，随着水洗次数的增加，摩擦色牢度有增加的趋势。与原布相比，炭黑整理涤氨纶织物的B值和2HB值都增加，说明经炭黑整理会增加织物弯曲刚性和降低织物反弹性;这是黏合剂5S能在织物表面成膜及极性丙烯腈的作用引起的，而涤氨纶织物的高吸液量导致织物上有更多的黏合剂，表现出比涤纶双绉织物更高的挺括性和刚性。

3 结 论

采用合适改性方法制备的水性炭黑和黑色分散染料的一步法加工，能制备出满足市场需求的抗静电和导电性的功能涤纶织物。

1） 采用研磨制得的水性炭黑粒径较小，放置稳定性和导电性优良，较高的石墨化度和少量二维片层状平带结构增加了炭黑导电性。

2） 涤纶双绉织物经5.0%炭黑2860F、6.0%液体分散黑GK和4.0%黏合剂5S的轧烘焙工艺处理，能制备出耐水洗性优良、抗静电的黑色涤纶织物，其抗静电性能达到A级，且经10次洗涤的抗静电性能仍为A级，具有优良耐水洗性。

3） 涤氨纶织物经15.0%炭黑2860F、4.0%增深剂MD和15.0%黏合剂5S的轧烘焙工艺处理，能制备出耐水洗性优良、导电性的黑色涤纶织物，其电阻率低于104 Ω·cm，经10次洗涤的电阻和电阻率为5.07 kΩ和8.77 kΩ·cm，具有优良耐水洗性。

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