UV光固化法制備炭黑導電棉織物

王 娜，符亞楠，郭亞麗，王娜娜，管鑫燚

（河南工程學院材料與化學工程學院，河南鄭州 450007）

隨著科技的進步與發展，人們對紡織品的要求越來越趨向于多元化。導電柔性織物因高附加值與高技術含量而具有巨大的市場潛力，在紡織行業中占有重要地位［1-2］。炭黑憑借著優秀的導電性能以及良好的化學穩定性，應用于電子元件、合成纖維、石油化工、橡膠輪胎等多個行業［3］。聚氨酯丙烯酸酯（PUA）憑借良好的柔韌性、耐磨性以及固化速度快等，廣泛應用在油墨、涂料行業［4-5］。UV 光固化技術是20世紀60年代發展起來的一項技術，憑借節能環保、快速成膜等特點受到越來越多科研人員的關注［6-7］。李會錄等［8］以PUA 和EA 為預縮體，用UV 光固化技術制備了PP 薄膜涂層材料。徐英杰等［9］研究了電磁吸收劑對UV 光固化體系的影響。邱鳳仙等［10］運用UV 光固化技術制備的氧化石墨烯/PUA 復合功能涂料具有良好的電磁屏蔽性能。本課題以炭黑為導電物質，光引發劑1173、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、PUA 為成膜物質，制備了炭黑導電棉織物，探究了導電性能和耐洗性，并尋找最佳UV 光固化工藝。

1 實驗

1.1 材料及儀器

織物：純棉機織物（20 tex×20 tex，268 根/10 cm×268根/10 cm）。

試劑：導電炭黑色漿（北京麥爾化工科技有限公司），聚氨酯丙烯酸酯（濟寧華凱樹脂有限公司），三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），光引發劑1173（廣州冠川貿易發展有限公司）。

儀器：RC-MP2000 型磁棒印花機（靖江市華夏科技有限公司），Intelli-Ray 600-Uvitron 型紫外固化機（美國UVITRON 公司），DZF-6020 型真空干燥箱（上海三發科學儀器有限公司），SZT-2B 四探針電阻測試儀（蘇州同創電子有限公司），RC-Z2400 型振蕩水浴鍋（上海一派印染技術有限公司）。

1.2 UV 光固化導電炭黑色漿的制備

稱取導電炭黑色漿于燒杯中，加入2 g TMPTA，攪拌，加入PUA 并保持攪拌至色漿均勻，在臨用前加入1173，得到導電印制色漿。

1.3 UV 光固化導電炭黑色漿印花

將UV 光固化導電炭黑色漿放在鏤空的6 cm×12 cm 篩網上，在篩網下方放上提前剪好的10 cm×25 cm棉織物，調整磁棒印花機的磁力為12、印花速率為12 m/min 印制棉織物。把印制好的棉織物放入紫外固化機進行固化處理，固化結束后取出織物。

1.4 測試

導電性能：將棉織物放在80 ℃真空干燥箱內烘1 h，再放入干燥器平衡24 h，然后用四探針電阻測試儀測定表面電阻，測量8次，取平均值。

耐洗性：按照AATCC 135—2018，將導電棉織物用標準合成洗滌劑溶液洗滌不同次數，測試洗滌后棉織物的表面電阻。

耐摩擦色牢度：按照GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》進行測試。

2 結果與討論

2.1 棉織物導電性能的影響因素

2.1.1 炭黑用量

由表1 可以看出，隨著炭黑用量的增加，棉織物的表面電阻減小，說明織物的導電性能提高。這是因為1173 經過光照后產生活性基團，促使TMPTA 和PUA 的碳碳雙鍵發生聚合，從而交聯成膜，炭黑作為一種天然的導電物質粘在棉織物上，賦予織物一定的導電性。當炭黑用量為3.7%、7.1%、10.7%、13.3%時，棉織物的增重率分別為1.03%、2.51%、3.90%和5.81%，說明隨著炭黑用量的增加，印制在織物上的炭黑增多，炭黑之間的連續性好，從而使織物的導電性提高。當炭黑用量為10.7%和13.3%時，印制的棉織物表面電阻相差較小，為了節約成本，炭黑用量控制在10.7%較為合適。

表1 炭黑用量對棉織物導電性能的影響

2.1.2 PUA 用量

由表2 可看出，隨著PUA 用量的增加，織物摩擦前的表面電阻逐漸增大。這是因為當PUA 用量為0%時，織物表面無法成膜，炭黑直接“裸露”在織物表面，故摩擦前織物的表面電阻較低；由于炭黑在織物表面無法成膜很難固著，摩擦后大量炭黑從織物上脫落，表面電阻明顯增大。隨著PUA 用量的增加，1173 產生的自由基使TMPTA 和PUA 的碳碳雙鍵打開發生光固化反應，色漿中的炭黑通過黏合劑附著于織物上不易脫落；但PUA 用量過大，PUA 成膜厚度增加，且1173、TMPTA 和PUA 形成的薄膜并不導電，導致薄膜中導電炭黑的連續性降低，織物的表面電阻增大。隨著PUA 用量的增加，整個體系的內聚強度增大，氫鍵增多，織物上印制的圖案抗彎曲性能增大，織物柔順性變差，手感變硬。隨著PUA 用量的增加，導電織物的耐摩擦性能提高。綜合考慮，PUA 用量控制在3.4%最合適。

表2 PUA 用量對棉織物導電性能的影響

2.1.3 1173用量

由表3 可知，隨著1173 用量的增加，導電棉織物摩擦前的表面電阻增大。這是因為1173 用量為0%時，色漿中的預聚物和單體反應不完全，無法形成薄膜或成膜較差，炭黑“裸露”在棉織物表面，而不是被涂層膜包覆。此外，炭黑用量較高，導電物質在膜上的連續性好，因此表面電阻小；但由于無法成膜，導電棉織物的耐摩擦性能很差，摩擦后表面電阻大幅增加。隨著1173 用量的增加，光引發劑由輻射產生的自由基變多，PUA 和TMPTA 的聚合程度變大，形成的膜變厚，炭黑被固化膜包覆，表面電阻變大，織物的耐摩擦性能明顯提高，摩擦前后表面電阻相差較小。綜合考慮，1173 用量為11.1%時，織物的導電性和耐摩擦性能均較好。

表3 1173用量對棉織物導電性能的影響

2.1.4 固化時間

由表4 可知，隨著固化時間的延長，整理織物的表面電阻先變小后變大。這是因為隨著光照時間的延長，1173 產生越來越多的活性基團，引發活性單體和光固化低聚物發生交聯反應，產生能夠吸附在織物上的薄膜，且膜的厚度隨著UV 光固化時間的延長而增厚，從而導致薄膜內導電炭黑的連續性變差。在固化時間為10～20 s 時，織物的導電性和耐摩擦性能相對較好。

表4 固化時間對棉織物導電性能的影響

2.2 SEM

由圖1a 可知，未整理棉織物的纖維束清晰可見。由圖1b、圖1c 可知，UV 光固化炭黑整理的棉織物表面覆蓋了一層炭黑和黏合劑形成的薄膜，且炭黑用量越多，薄膜的厚度和炭黑的裸露度越高，證實了炭黑在棉織物表面的沉積。

圖1 棉織物整理前后的SEM（×2 000）

2.3 耐洗性

由表5 可知，水洗后織物的表面電阻變化不大，說明由1173、炭黑、TMPTA、PUA 組成的色漿經光固化形成的涂層耐洗性較好，涂層在水中不易脫落。

表5 水洗次數對棉織物導電性能的影響

3 結論

（1）由光引發劑1173、炭黑、TMPTA、PUA 組成的色漿經光固化后能賦予棉織物一定的導電性。織物的導電性隨炭黑用量的增加而增強，PUA 和TMPTA在光引發劑的作用下交聯聚合形成薄膜，使炭黑附著在棉織物上；導電性隨固化時間的延長而變差。

（2）水洗后的織物表面電阻變化較小，說明整理織物的導電耐洗性好。

（3）導電炭黑色漿光固化印制棉織物的優化工藝：光引發劑1173、炭黑、PUA 質量比11.1∶10.7∶3.4，固化時間15 s，此時整理棉織物獲得了良好的導電性和耐洗性。