龔 婷，唐致遠(yuǎn)

（天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

目前銷售的電熱保暖衣、電熱褥和電熱毯［1］等產(chǎn)品都以用金屬電阻絲和棉線混合編織成的導(dǎo)電布為材料，因其安全性低、制備工藝復(fù)雜、不能水洗［2］、遇水掉粉［3］，限制了其大規(guī)模使用。

近年來，人們提出了多種制備導(dǎo)電布的新方法。黃曉梅等采用將導(dǎo)電發(fā)熱材料碳纖維織入布中，設(shè)計(jì)開發(fā)出棉狀發(fā)熱體［4］；宋金昌等利用黏合劑、金屬粉、氧化粉制成漿料噴涂在基體布上并干燥，發(fā)明出一種低電壓發(fā)熱取暖材料［5］；王森林等將導(dǎo)電層涂覆到玻璃纖維布的兩面，研究發(fā)明出一種玻璃纖維電熱布［6］。而以具有水溶性的高分子聚四氟乙烯PTFE（P）作黏合劑，石墨&乙炔黑作導(dǎo)電劑并用普通纖維棉布為基體制備導(dǎo)電布的方法未曾報(bào)道。碳元素導(dǎo)電材料隨溫度升高電阻率增大，達(dá)到一定溫度時(shí)電阻處于穩(wěn)定狀態(tài)，電流相對(duì)穩(wěn)定，溫度恒定［7］。石墨（S-O）是一種碳素非金屬導(dǎo)電材料，它具有優(yōu)良的導(dǎo)電、耐高溫等特性［8］。乙炔黑［9］是由碳化鈣法或石腦油熱解時(shí)副產(chǎn)氣分解精制得到的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%以上的乙炔經(jīng)連續(xù)熱解后得到的炭黑，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和吸液性。P是一種水溶性的高分子有機(jī)物具有較好的黏合作用。利用原料的這些特點(diǎn)，本研究以普通棉布為基體，首次按一定的比例將導(dǎo)電劑（石墨、乙炔黑）與黏合劑P（聚四氟乙烯）混合配制導(dǎo)電漿料，并第一次通過改變遠(yuǎn)紅外劑鈦白粉的質(zhì)量比來考察其對(duì)導(dǎo)電布遠(yuǎn)紅外效應(yīng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

BS200S-WE1，電子天平；90-1型，恒溫磁力攪拌器；5DX-FT-iR，Nicolet 5DX傅里葉紅外光譜儀。

石墨、乙炔黑、P（東莞博拓化玻儀器有限公司）；鈦白粉（天津鴻雁天山石業(yè)納米技術(shù)有限公司）。

1.2 導(dǎo)電布的制備

導(dǎo)電布制作流程如圖1所示。按一定的比例將導(dǎo)電劑（石墨&乙炔黑）和黏合劑 P混合后置于恒溫磁力攪拌器內(nèi)攪拌至均勻，再將所得漿料倒入表面皿中。

圖1 制備工藝流程圖Fig.1 Flow diagram of preparation process

將棉布（4cm×4cm）浸入混合漿料中數(shù)分鐘取出懸掛晾干。待晾干后置于鋁板上用電熨斗將棉布熨平壓實(shí)。

1.3 電阻值的測(cè)定

取4cm×4cm的樣品棉布，在其兩邊中點(diǎn)處測(cè)量電阻值。

1.4 遠(yuǎn)紅外效應(yīng)的測(cè)定

取4cm×4cm的樣品棉布用5DX-FT-iR，Nicolet 5DX傅里葉紅外光譜儀檢測(cè)其遠(yuǎn)紅外輻射的發(fā)射率。

2 結(jié)果與討論

2.1 空白對(duì)照試驗(yàn)

測(cè)量4cm×4cm的棉布的電阻值，其電阻值大于20 MΩ。

2.2 初步試探性試驗(yàn)

對(duì)黏合劑P與導(dǎo)電劑融合性未知的情況下做了初步試探性試驗(yàn)，如表1。

表1 試探性試驗(yàn)Table 1 Exploratory test

由表1阻值和布面情況記錄分析可知：黏合劑P不僅影響導(dǎo)電布的電阻值而且會(huì)影響導(dǎo)電布布面情況，因此為本研究以導(dǎo)電布電阻值和表面情況為實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行以下探索研究。

2.3 單因素試驗(yàn)

在對(duì)導(dǎo)電劑（石墨和乙炔黑）與黏合劑P之間的黏合度、攪拌時(shí)間、浸潤(rùn)時(shí)間未知的情況下，做了試探性單因素試驗(yàn)。

以石墨-黏合劑P和乙炔黑-黏合劑 P為單因素分別考察了二者對(duì)導(dǎo)電布布面掉粉發(fā)白情況的影響。

2.3.1 石墨-黏合劑P

以導(dǎo)電劑石墨和黏合劑P為原料做單因素試驗(yàn)找出導(dǎo)電布布面不掉粉不發(fā)白時(shí)，石墨與黏合劑P的質(zhì)量比，結(jié)果數(shù)據(jù)如表2。

表2 石墨對(duì)導(dǎo)電布的影響Table 2 Influence of graphite on conductive cotton

由表2數(shù)據(jù)分析可知：隨著 m（石墨）/m（黏合劑P）的減小布面由掉粉不發(fā)白到不掉粉不發(fā)白，m（石墨）/m（黏合劑 P）在 1∶7～1∶10之間時(shí)，導(dǎo)電布不掉粉不發(fā)白。

2.3.2 乙炔黑-黏合劑P

以導(dǎo)電劑乙炔黑和黏合劑P為原料做單因素試驗(yàn)找出導(dǎo)電布不掉粉不發(fā)白時(shí)乙炔黑與黏合劑P的質(zhì)量比，結(jié)果數(shù)據(jù)如表3。

表3 乙炔黑對(duì)導(dǎo)電布的影響Table 3 Influence of acetylene black on conductive cotton

由表3數(shù)據(jù)分析可知：隨著乙炔黑與黏合劑P質(zhì)量比的增大導(dǎo)電布由不掉粉、發(fā)白到不掉粉、不發(fā)白繼而到掉粉、不發(fā)白，m（乙炔黑）/m（黏合劑P）在 6.0∶200.0 ～9.0∶200.0 之間時(shí)，導(dǎo)電布不掉粉不發(fā)白。

在不掉粉不發(fā)白的 m（乙炔黑）/m（黏合劑 P）為7.0∶200.0時(shí)，分別探討了以攪拌時(shí)間和浸潤(rùn)時(shí)間為單因素考察了二者對(duì)導(dǎo)電布電阻的影響。

2.3.3 攪拌時(shí)間對(duì)電阻值的影響

以 m（乙炔黑）/m（黏合劑 P）7.0∶200.0為基礎(chǔ)做單因素試驗(yàn)，找出攪拌時(shí)間對(duì)導(dǎo)電布電阻值的影響，結(jié)果數(shù)據(jù)如表4。

由表4數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng) T1=50min時(shí)，時(shí)間較短且電阻也較小，為最適宜攪拌時(shí)間。

2.3.4 浸潤(rùn)時(shí)間對(duì)電阻值的影響

以乙炔黑和黏合劑P質(zhì)量比7.0∶200.0為基礎(chǔ)做單因素試驗(yàn)，找出浸潤(rùn)時(shí)間對(duì)導(dǎo)電布電阻值的影響，結(jié)果數(shù)據(jù)如表5。

表4 攪拌時(shí)間對(duì)導(dǎo)電布的影響Table 4 Influence of stirring time on conductive cotton

表5 浸染時(shí)間對(duì)導(dǎo)電布的影響Table 5 Influence of infiltration time on conductive cotton

由表5數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)T2=6min時(shí)，時(shí)間最短且電阻最小，為最適宜的浸潤(rùn)時(shí)間。

根據(jù)以上4組試驗(yàn)，得到對(duì)導(dǎo)電布電阻影響的各個(gè)因素的水平，做了正交優(yōu)化試驗(yàn)。

2.4 正交試驗(yàn)

制備導(dǎo)電布的過程中，反應(yīng)因素較多，常見的有攪拌、浸潤(rùn)時(shí)間、石墨、乙炔和黏合劑 P加入量等。為了優(yōu)化反應(yīng)條件，盡可能簡(jiǎn)化試驗(yàn)中的盲目操作，本研究選擇 L16（44）正交表［10］，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表6。

表6 正交試驗(yàn)水平因素表Table 6 L16 （44） of orthogonal test

由表2和表3，得到石墨、乙炔黑與黏合劑P（聚四氟乙烯）在不同水平因素下的質(zhì)量比，故正交試驗(yàn)中對(duì)黏合劑直接采用二者對(duì)應(yīng)量的疊加，試驗(yàn)結(jié)果與直觀分析如表7。

表7 L16（44）正交試驗(yàn)結(jié)果Table 7 L16（44） results of orthogonal test

計(jì)算分析試驗(yàn)結(jié)果［11］：1）對(duì) 16個(gè)試驗(yàn)結(jié)果直接進(jìn)行比較，找出最適宜的方案，顯然電阻值最小者是 3號(hào)方案，電阻值最小為 973Ω，方案為A3B3C3D3，即：攪拌時(shí)間 50min，浸潤(rùn)時(shí)間 7min，導(dǎo)電黏合劑 m（石墨）∶m（乙炔黑）∶m（黏合劑 P）為1.5∶0.8∶23.5；2）計(jì)算分析，因?yàn)?L16（44）正交表，44實(shí)際有256個(gè)方案，L16（44）僅做了16次試驗(yàn)，最適宜方案可能在做過的16次試驗(yàn)中，也可能不在，所以必須計(jì)算分析，找出最適宜方案；3）由表7阻值極差分析R值可知：影響導(dǎo)電布電阻值因素的主次順序：乙炔黑質(zhì)量＞浸潤(rùn)時(shí)間＞攪拌時(shí)間＞石墨質(zhì)量，最適宜反應(yīng)組合為A4B3C2D3。而正交試驗(yàn)的16各方案中沒有A4B3C2D3，即第3號(hào)方案，這一方案，其是否為最適宜方案，需要通過正式驗(yàn)證來證明；4）為了與正交試驗(yàn)選出的最適宜方案進(jìn)行對(duì)比，用A3B3C3D3方案和A4B3C2D3方案各做1次驗(yàn)證性試驗(yàn)，電阻值分別為973和834Ω，說明 A4B3C2D3方案確實(shí)為最適宜方案，即攪拌時(shí)間40min，浸潤(rùn)時(shí)間7min，導(dǎo)電黏合劑 m（石墨）∶m（乙炔黑）∶m（黏合劑 P）為 2∶0.8.0∶23.5。

2.5 遠(yuǎn)紅外劑的加入量對(duì)發(fā)熱布的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的影響

以鈦白粉為遠(yuǎn)紅外劑，在制備導(dǎo)電漿料時(shí)加入鈦白粉制備導(dǎo)電布，通過對(duì)制備的樣品導(dǎo)電布的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的檢測(cè)結(jié)果分析得到遠(yuǎn)紅外效應(yīng)最好的二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比。

以 m（石墨）∶m（乙炔黑）∶m（黏合劑 P）∶m［阻燃劑 Mg（OH）2］為 2.5∶1.0∶30.0∶0.7 配制基液，成分如表8。

表8 1 500 g基液各成分所占比例Table 8 The proportion of each component in the base fluid

根據(jù)試驗(yàn)中遠(yuǎn)紅外劑的加入量計(jì)算出純固體顆粒中各成分質(zhì)量比，如表9，其中遠(yuǎn)紅外劑為0作為空白對(duì)照。

表9 純固體顆粒所占質(zhì)量比Table 9 The mass ratio of pure solid particles

2.5.1 空白對(duì)照-遠(yuǎn)紅外發(fā)射率

純棉布和無遠(yuǎn)紅外劑的樣品布的遠(yuǎn)紅外效應(yīng)檢測(cè)結(jié)果如圖2。

圖2 純棉布、無遠(yuǎn)紅外劑樣品的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率αFig.2 Far infrared emission rate α of cotton cloth and far-infrared agents samples

從圖2中找到純棉布和無遠(yuǎn)紅外劑的樣品導(dǎo)電布的在8～15μm范圍內(nèi)的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率平均值相同。說明導(dǎo)電劑、黏合劑、阻燃劑沒有遠(yuǎn)紅外效應(yīng)。

2.5.2 鈦白粉對(duì)導(dǎo)電布遠(yuǎn)紅外效應(yīng)的影響

鈦白粉做遠(yuǎn)紅外劑對(duì)導(dǎo)電布遠(yuǎn)紅外效應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果如圖3。

圖3 鈦白粉質(zhì)量比7.14%、10.35%、14.75%的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率Fig.3 Far infrared emission rate when titanium dioxide mass ratio is 7.14%，10.35%，14.75%

從圖3中發(fā)射率α平均值大小的比較，發(fā)現(xiàn)鈦白粉做遠(yuǎn)紅外劑的樣品導(dǎo)電布的在8～15μm范圍內(nèi)的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率平均值分別為0.92、0.90、0.92，均大于0.83。說明加入鈦白粉提高了導(dǎo)電布的遠(yuǎn)紅外發(fā)射能力，且在7%時(shí)用量最少成本最小同時(shí)制備的導(dǎo)電布的遠(yuǎn)紅外效應(yīng)最好。

3 結(jié)論

1）研究中利用廉價(jià)且導(dǎo)電性良好的石墨和乙炔黑作導(dǎo)電劑，并用具有水溶黏合性的高分子P作黏合劑，按一定的配比制備了混合漿料，將混合漿料涂覆在棉質(zhì)布上干燥制得導(dǎo)電布。優(yōu)化工藝條件：攪拌時(shí)間50min；浸潤(rùn)時(shí)間6min。經(jīng)優(yōu)化，導(dǎo)電布布面掉粉發(fā)白情況顯著減輕，電阻值降低，大大減少了試驗(yàn)過程中的盲目性。

2）研究遠(yuǎn)紅外材料鈦白粉對(duì)導(dǎo)電布遠(yuǎn)紅外效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)鈦白粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.14%時(shí)遠(yuǎn)紅外效應(yīng)最好，其遠(yuǎn)紅外發(fā)射率可達(dá)到92%，且比不加遠(yuǎn)紅外的樣品的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率提高了9%。

3）用黏合劑與導(dǎo)電劑石墨、乙炔黑以及輔助劑阻燃劑、遠(yuǎn)紅外劑配制混合漿料涂覆在棉布上的方法制備導(dǎo)電布的處理技術(shù)，簡(jiǎn)便易行，降低了成本，且大大降低了在實(shí)際工藝中的難度，另外選擇合適的導(dǎo)電黏合劑、阻燃劑、遠(yuǎn)紅外劑的質(zhì)量比可得不同特性的導(dǎo)電布。

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