化学工业与工程  2016, Vol. 33 Issue (3): 55-59
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龚婷, 唐致远. 远红外导电布的制备及其性能[J]. 化学工业与工程, 2016, 33(3): 55-59.
Gong Ting, Tang Zhiyuan. Preparation and Properties of Infrared Conductive Cotton[J]. Chemical Industry and Engineering, 2016, 33(3): 55-59.
远红外导电布的制备及其性能
龚婷, 唐致远     
天津大学化工学院, 天津 300072
收稿日期: 2014-05-20
作者简介: 龚婷(1989-),女,学士,现从事电化学方面的研究。
通讯作者: 唐致远, E-mail: zytang@tju.edu.cn。
摘要：研究制备了一种新型导电棉布,制备工艺简单、成本低、发热性好,用于保暖保健具有良好的效果。导电棉布采用导电剂、远红外剂和黏合剂P为原料制备而成。设计了以搅拌、浸润时间及导电剂、黏合剂质量比为因素的正交优化实验,得到了优化后导电棉布相对电阻值最低的实验条件。在正交优化后的最适宜反应条件下,考察了远红外剂(二氧化钛)对导电布远红外效应的影响,结果表明当远红外剂质量分数为7.14%时,远红外效应最好。
关键词： 导电布     导电剂     黏合剂     远红外剂     电阻值     发射率    
Preparation and Properties of Infrared Conductive Cotton
Gong Ting, Tang Zhiyuan     
School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China
Abstract: A novel strategy for preparation technology of conductive cotton was proposed and verified by control experiments. The strategy is to coat a slurry with specific composition of conductive agent, far-infrared agents and adhesives P onto the cotton and then conductive cotton was achieved after a considerate drying process. Firstly, the effect of adding amount of conductive agent to slurry were investigated and a orthogonal experiment was designed and carried on with stirring time, wetting time and the mass ratio of the conductive agent to a binder being taken as affecting factors. An optimum reaction parameters were acquired, under which the electricity resistance of as-prepared conductive fabric was significantly reduced. Secondly, the role of far-infrared agent (titanium dioxide) on far-infrared radiation effect of conductive fabric was investigated under acquired optimum conditions. The best far-infrared effect was achieved at a mass fraction of 7.14% for titanium dioxide. It can be expected the technique developed in this paper would be a simple, cost competitive to prepare functional fabric for health care application.
Key words: conductive cotton     conductive agent     adhesives     far-infrared agent     resistance     far infrared radiation    

目前销售的电热保暖衣、电热褥和电热毯[1]等产品都以用金属电阻丝和棉线混合编织成的导电布为材料，因其安全性低、制备工艺复杂、不能水洗[2]、遇水掉粉[3]，限制了其大规模使用。

近年来，人们提出了多种制备导电布的新方法。黄晓梅等采用将导电发热材料碳纤维织入布中，设计开发出棉状发热体[4]；宋金昌等利用黏合剂、金属粉、氧化粉制成浆料喷涂在基体布上并干燥，发明出一种低电压发热取暖材料[5]；王森林等将导电层涂覆到玻璃纤维布的两面，研究发明出一种玻璃纤维电热布[6]。而以具有水溶性的高分子聚四氟乙烯PTFE(P)作黏合剂，石墨 &乙炔黑作导电剂并用普通纤维棉布为基体制备导电布的方法未曾报道。碳元素导电材料随温度升高电阻率增大，达到一定温度时电阻处于稳定状态，电流相对稳定，温度恒定[7]。石墨(S-O)是一种碳素非金属导电材料，它具有优良的导电、耐高温等特性[8]。乙炔黑[9]是由碳化钙法或石脑油热解时副产气分解精制得到的质量分数为99%以上的乙炔经连续热解后得到的炭黑，具有优良的导电性和吸液性。P是一种水溶性的高分子有机物具有较好的黏合作用。利用原料的这些特点，本研究以普通棉布为基体，首次按一定的比例将导电剂(石墨、乙炔黑)与黏合剂P(聚四氟乙烯)混合配制导电浆料，并第一次通过改变远红外剂钛白粉的质量比来考察其对导电布远红外效应的影响。

1 实验 1.1 实验仪器与材料

BS200S-WE1，电子天平；90-1型，恒温磁力搅拌器；5DX-FT-iR，Nicolet 5DX 傅里叶红外光谱仪。

石墨、乙炔黑、P(东莞博拓化玻仪器有限公司)；钛白粉(天津鸿雁天山石业纳米技术有限公司)。

1.2 导电布的制备

导电布制作流程如图 1所示。按一定的比例将导电剂(石墨 &乙炔黑)和黏合剂P混合后置于恒温磁力搅拌器内搅拌至均匀，再将所得浆料倒入表面皿中。

图 1 制备工艺流程图 Fig. 1 Flow diagram of preparation process
图选项

将棉布(4 cm×4 cm)浸入混合浆料中数分钟取出悬挂晾干。待晾干后置于铝板上用电熨斗将棉布熨平压实。

1.3 电阻值的测定

取4 cm×4 cm的样品棉布，在其两边中点处测量电阻值。

1.4 远红外效应的测定

取4 cm×4 cm的样品棉布用5DX-FT-iR，Nicolet 5DX傅里叶红外光谱仪检测其远红外辐射的发射率。

2 结果与讨论 2.1 空白对照试验

测量4 cm×4 cm的棉布的电阻值，其电阻值大于20 MΩ。

2.2 初步试探性试验

对黏合剂P与导电剂融合性未知的情况下做了初步试探性试验，如表 1。

表 1 试探性试验 Table 1 Exploratory test
T3/min T4/min V R S
20 5 磁力搅拌 >量程 否；是
30 5 磁力搅拌 1 187 000 否；是
很久 5 磁力搅拌 76 700 否；是
注：1)T3：搅拌时间；2)T4：浸润时间；3)V：搅拌速度；4)R：导电布特定两点间阻值，Ω；5)S：布面情况(是否掉粉、发白)。
表选项

由表 1阻值和布面情况记录分析可知：黏合剂P不仅影响导电布的电阻值而且会影响导电布布面情况，因此为本研究以导电布电阻值和表面情况为实验的优化指标进行以下探索研究。

2.3 单因素试验

在对导电剂(石墨和乙炔黑)与黏合剂P之间的黏合度、搅拌时间、浸润时间未知的情况下，做了试探性单因素试验。

以石墨-黏合剂P和乙炔黑-黏合剂P为单因素分别考察了二者对导电布布面掉粉发白情况的影响。

2.3.1 石墨-黏合剂P

以导电剂石墨和黏合剂P为原料做单因素试验找出导电布布面不掉粉不发白时，石墨与黏合剂P的质量比，结果数据如表 2。

表 2 石墨对导电布的影响 Table 2 Influence of graphite on conductive cotton
M1 T1/min T2/min S
1:4 20 5 是；否
1:5 20 5 是；否
1:6 20 5 是；否
1:7 20 5 否；否
1:8 20 5 否；否
1:9 20 5 否；否
1:10 20 5 否；否
注：1)M1：m(石墨)/m(黏合剂P)；2)T1：搅拌时间；3)T2：浸润时间；4)S：布面情况(是否掉粉、发白)。
表选项

由表 2数据分析可知：随着m(石墨)/m(黏合剂P)的减小布面由掉粉不发白到不掉粉不发白，m(石墨)/m(黏合剂P)在1:7～1:10之间时，导电布不掉粉不发白。

2.3.2 乙炔黑-黏合剂P

以导电剂乙炔黑和黏合剂P为原料做单因素试验找出导电布不掉粉不发白时乙炔黑与黏合剂P的质量比，结果数据如表 3。

表 3 乙炔黑对导电布的影响 Table 3 Influence of acetylene black on conductive cotton
M2 H/mL T1/min T2/min S
3.0:200.0 0 20 5 否；是
4.0:200.0 0 30 5 否；是
5.0:200.0 0 30 5 否；是
5.5:200.0 5 40 5 否；是
6.0:200.0 5 40 5 否；否
7.0:200.0 5 50 5 否；否
8.0:200.0 5 50 5 否；否
9.0:200.0 5 50 5 否；否
10.0:200.0 10 50 5 是；否
11.0:200.0 10 50 5 是；否
12.0:200.0 15 50 5 是；否
13.0:200.0 15 50 5 是；否
14.0:200.0 15 50 5 是；否
注：1)M2：m(乙炔黑)/ m(黏合剂P)；2)H：水，mL；3)T1：搅拌时间；4)T2：浸润时间；5)S：布面情况(是否掉粉、发白)。
表选项

由表 3数据分析可知：随着乙炔黑与黏合剂P质量比的增大导电布由不掉粉、发白到不掉粉、不发白继而到掉粉、不发白，m(乙炔黑)/m(黏合剂P)在6.0:200.0～9.0:200.0之间时，导电布不掉粉不发白。

在不掉粉不发白的m(乙炔黑)/m(黏合剂P) 为7.0:200.0时，分别探讨了以搅拌时间和浸润时间为单因素考察了二者对导电布电阻的影响。

2.3.3 搅拌时间对电阻值的影响

以m(乙炔黑)/m(黏合剂P) 7.0:200.0为基础做单因素试验，找出搅拌时间对导电布电阻值的影响，结果数据如表 4。

表 4 搅拌时间对导电布的影响 Table 4 Influence of stirring time on conductive cotton
M2 H T1 T2 R
7.0:200.0 5 10 5 7 867
7.0:200.0 5 20 5 7 333
7.0:200.0 5 30 5 7 233
7.0:200.0 5 40 5 6 600
7.0:200.0 5 50 5 5 533
7.0:200.0 5 60 5 5 500
注：1)M2：乙炔黑与黏合剂P的质量比；2)H：水，mL；3)T1：搅拌时间，min；4)T2：浸润时间，min；5)R：导电布电阻值，Ω。
表选项

由表 4数据分析可知：当T1=50 min时，时间较短且电阻也较小，为最适宜搅拌时间。

2.3.4 浸润时间对电阻值的影响

以乙炔黑和黏合剂P质量比7.0:200.0为基础做单因素试验，找出浸润时间对导电布电阻值的影响，结果数据如表 5。

表 5 浸染时间对导电布的影响 Table 5 Influence of infiltration time on conductive cotton
M2 H T1 T2 R
7.0:200.0 5 30 1 16 100
7.0:200.0 5 30 2 19 200
7.0:200.0 5 30 3 25 167
7.0:200.0 5 30 4 36 400
7.0:200.0 5 30 5 15 800
7.0:200.0 5 30 6 13 800
7.0:200.0 5 30 7 19 000
7.0:200.0 5 30 8 15 167
7.0:200.0 5 30 9 22 667
7.0:200.0 5 30 10 17 567
注：1)M2：m(乙炔黑)/m(黏合剂P)；2)H：水，mL；3)T1：搅拌时间；4)T2：浸润时间；5)R：导电布电阻值，Ω。
表选项

由表 5数据分析可知：当T2=6 min时，时间最短且电阻最小，为最适宜的浸润时间。

根据以上4组试验，得到对导电布电阻影响的各个因素的水平，做了正交优化试验。

2.4 正交试验

制备导电布的过程中，反应因素较多，常见的有搅拌、浸润时间、石墨、乙炔和黏合剂P加入量等。为了优化反应条件，尽可能简化试验中的盲目操作，本研究选择L16(44)正交表[10]，试验设计见表 6。

表 6 正交试验水平因素表 Table 6 L16 (44) of orthogonal test
水平 石墨/g(A) 乙炔黑/g(B) 搅拌时间/min(C) 浸润时间/min(D)
1 0.5 0.6 30 3
2 1.0 0.7 40 5
3 1.5 0.8 50 7
4 2.0 0.9 60 9
注：以导电布不发白不掉粉和电阻值为试验指标通过表 2、表 3、表 4、表 5的单因素试验，获得了如上4因素4水平的水平因子表。
表选项

由表 2和表 3，得到石墨、乙炔黑与黏合剂P(聚四氟乙烯)在不同水平因素下的质量比，故正交试验中对黏合剂直接采用二者对应量的叠加，试验结果与直观分析如表 7。

表 7 L16(44)正交试验结果 Table 7 L16(44) results of orthogonal test
序号 A B C D P/g 阻值/Ω
1 1(0.5) 1(0.6) 1(30) 1(4) 23.5 4 967
2 2(1) 2(0.7) 2(40) 2(5) 23.5 3 367
3 3(1.5) 3(0.8) 3(50) 3(7) 23.5 973
4 4(2) 4(0.9) 4(60) 4(9) 23.5 1 767
5 2 1 4 3 28.0 5 500
6 1 2 3 4 28.0 18 533
7 4 3 1 2 28.0 3 233
8 3 4 2 1 28.0 2 100
9 3 1 4 2 33.5 7 200
10 4 2 3 1 33.5 3 167
11 1 3 2 4 33.5 4 833
12 2 4 1 3 33.5 5 033
13 4 1 2 3 40.0 5 633
14 3 2 1 4 40.0 7 233
15 2 3 4 1 40.0 10 467
16 1 4 3 2 40.0 14 000
K1 42 333 23 300 20 466 20 701
K2 24 367 32 300 15 933 27 800
K3 17 506 19 506 36 673 17 139
K4 13 800 22 900 24 934 32 366
R 7 133 3 199 5 185 3 807
表选项

计算分析试验结果[11]：1)对16个试验结果直接进行比较，找出最适宜的方案，显然电阻值最小者是3号方案，电阻值最小为973 Ω，方案为A3B3C3D3，即：搅拌时间50 min，浸润时间7 min，导电黏合剂m(石墨):m(乙炔黑):m(黏合剂P)为1.5:0.8:23.5；2)计算分析，因为L16(44)正交表，44实际有256个方案，L16(44)仅做了16次试验，最适宜方案可能在做过的16次试验中，也可能不在，所以必须计算分析，找出最适宜方案；3)由表 7阻值极差分析R值可知：影响导电布电阻值因素的主次顺序：乙炔黑质量＞浸润时间＞搅拌时间＞石墨质量，最适宜反应组合为A4B3C2D3。而正交试验的16各方案中没有A4B3C2D3，即第3号方案，这一方案，其是否为最适宜方案，需要通过正式验证来证明；4)为了与正交试验选出的最适宜方案进行对比，用A3B3C3D3方案和A4B3C2D3方案各做1次验证性试验，电阻值分别为973和834 Ω，说明A4B3C2D3方案确实为最适宜方案，即搅拌时间40 min，浸润时间7 min，导电黏合剂m(石墨):m(乙炔黑):m(黏合剂P)为2:0.8.0:23.5。

2.5 远红外剂的加入量对发热布的远红外发射率的影响

以钛白粉为远红外剂，在制备导电浆料时加入钛白粉制备导电布，通过对制备的样品导电布的远红外发射率的检测结果分析得到远红外效应最好的二氧化钛的质量分数比。

以m(石墨):m(乙炔黑):m(黏合剂P):m[阻燃剂Mg(OH)2]为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
基液/% 质量/g
PTFE(30%) 90.50 678.75
石墨(S-O) 5.66 84.90
乙炔黑 2.26 33.90
阻燃Mg(OH) 2 1.58 23.70
表选项

根据试验中远红外剂的加入量计算出纯固体颗粒中各成分质量比，如表 9，其中远红外剂为0作为空白对照。

表 9 纯固体颗粒所占质量比 Table 9 The mass ratio of pure solid particles
纯颗粒质量比
基液 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
P 59.61 55.36 53.44 50.82
S—O 24.04 22.32 21.55 20.49
乙炔黑 9.62 8.93 8.62 8.20
阻燃粉 6.73 6.25 6.04 5.74
远红外剂 0 7.14 10.35 14.75
表选项
2.5.1 空白对照-远红外发射率

纯棉布和无远红外剂的样品布的远红外效应检测结果如图 2。

图 2 纯棉布、无远红外剂样品的远红外发射率α Fig. 2 Far infrared emission rate α of cotton cloth and far-infrared agents samples
图选项

从图 2中找到纯棉布和无远红外剂的样品导电布的在8～15 μm范围内的远红外发射率平均值相同。说明导电剂、黏合剂、阻燃剂没有远红外效应。

2.5.2 钛白粉对导电布远红外效应的影响

钛白粉做远红外剂对导电布远红外效应的检测结果如图 3。

图 3 钛白粉质量比7.14%、10.35%、14.75%的远红外发射率 Fig. 3 Far infrared emission rate when titanium dioxide mass ratio is 7.14%,10.35%,14.75%
图选项

从图 3中发射率α平均值大小的比较，发现钛白粉做远红外剂的样品导电布的在8～15 μm范围内的远红外发射率平均值分别为0.92、0.90、0.92，均大于0.83。说明加入钛白粉提高了导电布的远红外发射能力，且在7%时用量最少成本最小同时制备的导电布的远红外效应最好。

3 结论

1)研究中利用廉价且导电性良好的石墨和乙炔黑作导电剂，并用具有水溶黏合性的高分子P作黏合剂，按一定的配比制备了混合浆料，将混合浆料涂覆在棉质布上干燥制得导电布。优化工艺条件：搅拌时间50 min；浸润时间6 min。经优化，导电布布面掉粉发白情况显著减轻，电阻值降低，大大减少了试验过程中的盲目性。

2)研究远红外材料钛白粉对导电布远红外效应的影响，发现钛白粉质量分数为7.14%时远红外效应最好，其远红外发射率可达到92%，且比不加远红外的样品的远红外发射率提高了9%。

3)用黏合剂与导电剂石墨、乙炔黑以及辅助剂阻燃剂、远红外剂配制混合浆料涂覆在棉布上的方法制备导电布的处理技术，简便易行，降低了成本，且大大降低了在实际工艺中的难度，另外选择合适的导电黏合剂、阻燃剂、远红外剂的质量比可得不同特性的导电布。

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