本发明属于导电纤维领域，具体地说，涉及一种可染色的高导电性纤维及其制备方法。
背景技术：
1、合成纤维价格低廉、种类多、加工容易，已经成为日常生活中广泛使用的纺织材料，但合成纤维的表面电阻率常大于1013ω/cm，在生产过程中易积聚静电荷，对纺织产品质量和安全生产造成巨大的威胁。同时，随着科技发展和人类生活品质的不断改善，静电对人类生产生活造成的不利影响日益突出，若只使用常规涤纶纤维，容易产生静电放电导致精密电子设备损坏、易燃物起火爆炸、人体不适感等问题。
2、导电纤维是指能降低或消除在使用过程中产生静电的一种功能性纤维，它具有电荷传导和尖端放电的能力，在航空航天、汽车、电子、机械、化工、通信、建筑、医疗、轻纺等领域应用广泛，对国防军工和国民经济具有重大意义。尤其是近些年智能穿戴的兴起和特殊领域设备的发展，对于导电纤维的性能要求不断提高，需求量也不断增加，使得导电纤维的开发与研究始终是科研工作者的研究热点之一。
3、导电纤维主要包括均一组分型、涂覆型、填料/聚合物复合型三种。其中，填料/聚合物复合型导电纤维由于防静电效果出色、力学性能、耐久性及服用性好，应用最为广泛。目前市场上的导电纤维产品常用炭黑作为导电填料来提高纤维的导电性，常制备成皮芯型(如图1中a，导电在皮层，基体在芯层)但制备的纤维成品呈黑色，无法进行染色，即使制备成异形截面(图1中c、d、e、f)，纤维成品仍呈现灰色，仍制约了其应用范围。而制成图1中b型截面(导电在芯层，基体在皮层)的纤维，虽纤维颜色较浅，但由于纤维表面产生的静电需要通过导电性能较差的皮层基体，导致导电性能不尽人意。
4、随着市场对导电纤维性能的要求越来越高，往往需要更高含量的炭黑填入才能满足要求，但过多的炭黑加入到导电母粒中，会存在填料分散性差，纺丝难度高的问题，导致纤维力学性能不好，成品率低。另一方面，由于炭黑型导电纤维不可染色性，可染色的“白色化”导电纤维逐渐成为了一大发展趋势。虽然近几年也已有多品种浅色或白色导电纤维问世，该类纤维大多是以掺杂型导电金属化合物为导电填料。但由于填料导电性的限制，白色导电纤维的导电性不如炭黑系导电纤维，无法满足各领域对其性能的要求。
5、例如，公开号为cn101358387a的中国专利公开了一种白色复合导电纤维，是将非导电皮层材料与导电芯层材料通过复合纺丝，生产出复合导电纤维，其中非导电皮层材料是添加有0～10％tio2粉体的聚酯或聚酰胺，导电芯层材料是以30～80％锑掺杂氧化锡的纳米粉体为导电材料以及20～70％共聚酯或共聚酰胺为载体材料的一种复合物。该技术中以掺杂型导电金属化合物为导电填料置于芯层，皮层选用非导电层，纤维表面产生的静电传递给芯层导电层的阻力大，导致导电性能欠缺，限制其应用。另外，公开号为cn106757507a的中国专利公开了一种高性能锦纶基可染导电纤维，它采用三层同心圆结构，结构中有三种组分：高导电介质碳黑组分、遮蔽类复合物质组分、白色导电组分，各组分质量比为高导电介质碳黑组分:遮蔽类复合物质组分：白色导电组分＝5％～30％：20％～30％：50％～65％，其中内层、中间层、外层依次为高导电介质碳黑组分、遮蔽类复合物质组分、白色导电组分，或者内层、中间层、外层依次为高导电介质碳黑组分、白色导电组分、遮蔽类复合物质组分。该技术在遮蔽类复合物质组分中添加了电荷转移剂以起到电荷传递的连接作用，但总体添加量少，起到的作用有限，没有导电材料直接接触的效果好。因此，如何提供一种既能够具有优良的导电性能，又具有很好的可染性的导电纤维，满足不同的需求，具有重要的研究和生产意义。
6、有鉴于此特提出本发明。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种可染色的高导电性纤维及其制备方法。本发明选用白导电聚酯组分作为皮层，聚酰胺组分作为芯层，炭黑/碳纳米管协同增效导电聚酰胺组分又以异形结构加入到芯层内部且部分直接与皮层接触，既能够提高纤维的导电性能，还能够减少炭黑对成品颜色的影响，皮层中还引入了气凝胶成分，在后续碱处理后会在皮层表面形成微孔结构，由于漫反射的作用使得芯层的炭黑颜色不会从皮层透射出来，从而在不加遮光剂的情况下，也能进一步增加白度，丰富了纤维可染颜色的选择。
2、为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
3、本发明提供一种可染色的高导电性纤维，包括芯层和包覆在芯层外周的皮层，芯层内部设有主导电部，且少部分主导电部与皮层直接接触，所述芯层：皮层：主导电部的质量百分比为50-70％：30-20％：20-10％；所述芯层为全消光聚酰胺，所述主导电部含有炭黑/碳纳米管协同增效导电聚酰胺，所述皮层为含有气凝胶和白色导电组分的聚酯。
4、本发明中，选用白导电聚酯组分作为皮层，聚酰胺组分作为芯层，炭黑/碳纳米管协同增效导电聚酰胺组分又以异形结构加入到芯层内部且部分直接与皮层接触，可将纤维表面的电荷直接传递至芯层位置的主导电部，从而能够提高纤维的导电性能；而大部分的主导电部被全消光聚酰胺包裹，使得大部分炭黑的颜色被遮蔽，减少炭黑对成品颜色的影响。
5、而选用聚酰胺作芯，聚酯作皮，一方面由于聚酰胺的导电性要比聚酯好，可利用其更加优异的导电性，来提高整根纤维的导电性能和强度，且锦纶织出的织物手感更加柔软，另一方面聚酯具有良好的力学性能、色牢度高、耐光、价格优廉，且气凝胶经碱处理后脱落形成孔洞又赋予纤维具有吸湿速干的功能，使得整个纤维兼具两种组分的性能优势。
6、本发明中，选用白导电聚酯组分作为皮层，已降低了炭黑颜色对纤维成品的影响，在这基础上本发明又在皮层引入了气凝胶成分，可使纤维表面凹凸不平且表面积增大，尤其是在后续碱处理后可使气凝胶成分脱落形成孔洞，造成纤维产生漫反射作用而使得芯层的炭黑颜色不会从皮层透射出来，来降低纤维的透明度，而使白度增加。皮层包裹芯层，又引入气凝胶成分，能够在皮层不加光遮蔽剂的情况下，降低那少部分炭黑直接与皮层接触带来的颜色影响，增加了纤维的白度，丰富了纤维可染颜色的选择。
7、进一步的方案，所述的纤维的横截面中，主导电部被芯层包裹的部分的周长与导电部与皮层直接接触部分的周长的比例为4-8:1。
8、优选的，主导电部在芯层的径向上贯通芯层，两端与皮层直接接触。从横截面来看，相对于点状的结构，贯通结构增加了电荷传递的途径，导电性会有所提高。
9、进一步的方案，所述主导电部为含有炭黑和碳纳米管的聚酰胺，其中炭黑的占比为10-20wt％，碳纳米管的占比为4-10wt％。
10、相较于纯炭黑导电成分，为保持优异的导电性其炭黑用量要达到30wt％以上。本发明中，主导电部中，选用的是利用少量碳纳米管代替部分炭黑，其用量控制炭黑的占比为10-20wt％，碳纳米管的占比为4-10wt％，两者的总添加量明显小于纯炭黑导电成分的添加量。碳纳米管通过原位聚合技术均匀分散到聚酰胺基体中，再与聚酰胺、炭黑共混造粒得到炭黑/碳纳米管导电母粒。高长径比的碳纳米管有利于长程电荷的传输，炭黑颗粒会富集在碳纳米管附近，通过协同增效作用形成导电网络，可有效降低逾渗阈值，在保持优异导电性能的同时，可有效减少炭黑的用量，提高纤维的可纺性，且能够降低炭黑对颜色的影响。
11、进一步的方案，芯层和主导电部中的聚酰胺，选自pa6,pa66，pa56中的一种或几种；优选为pa6。
12、进一步的方案，所述皮层中白色导电组分的占比为15-35wt％，气凝胶的占比为1-5wt％；
13、本发明中，控制皮层中气凝胶的占比为1-5wt％，若含量过少，则无法在皮层很好的形成孔洞，对白度的影响不大，若含量过多，则会影响纤维的力学性能。
14、优选的，所述白色导电组分选自二氧化锡、氧化锌、锑锡氧化物中的一种或多种，优选的，白色导电组分的粒径小于500nm。
15、进一步的方案，可染色的高导电性纤维为长丝或短纤；
16、优选的，短纤长度为38mm-76mm；
17、优选的，所述短纤的皮层中还含有pa6，且皮层中pa6的含量占比为1-3wt％。
18、本发明中纤维既可以制备长丝，也可以制备短纤，其中，优先选用做短纤，目的是为了缩短电荷从芯层内部通过炭黑型导电部分传递至外部的距离，及时将静电消除。同时相较于长丝，短纤制备难度更为简单。
19、另外，聚酰胺与聚酯的相容性不是很好，短纤维后续使用过程中可能会因碱处理而导致皮层与芯层分开。考虑到这一点，在做短纤时，熔融挤出阶段皮层中加一定比例的pa6，以增加相容性，避免剥离问题。
20、本发明还提供一种如上所述的可染色的高导电性纤维的制备方法，包括：
21、(1)制备全消光聚酰胺切片；
22、(2)制备含有炭黑和碳纳米管的聚酰胺母粒；
23、(3)制备含有气凝胶和白色导电组分的聚酯切片；
24、(4)将(1)作为芯层材料，(2)作为主导电部材料，(3)作为皮层材料，通过熔融挤出，进行复合纺丝，经冷却、牵伸，得到可染色的高导电性纤维。
25、优选的，制备短纤时，熔融挤出阶段皮层材料中还添加1-3wt％常规pa6，将制备得到的含有气凝胶和白色导电组分的聚酯切片与少量pa6搅拌混合均匀，再加入到螺杆中熔融挤出；
26、优选的，将制备的高导电性纤维或者其制成的面料采用6-8％的氢氧化钠在80-100℃下保温30分钟进行碱处理。
27、进一步的方案，步骤(1)中，聚酰胺为pa6，制备全消光pa6切片的方法包括：
28、将纳米级二氧化硅粉末加入到己内酰胺/水溶液中搅拌混合，研磨、沉降，将沉降液上层液体分离并过滤得到悬浮液，将悬浮液与己内酰胺混合，然后进行连续开环缩聚反应，反应温度为230-330℃，反应时间为15-25h；后经多级热水萃取、干燥及冷却后得到全消光pa6切片；
29、优选的，纳米级二氧化硅粉末的粒径为50-500nm，在切片中的占比为10-20wt％；
30、优选的，己内酰胺和水的质量比为1：1。
31、进一步的方案，步骤(2)中，含有炭黑和碳纳米管的聚酰胺母粒，其制备方法包括：
32、(1)将羧基化的碳纳米管加入到己内酰胺/水溶液中搅拌混合，研磨、沉降，将沉降液上层液体分离并过滤得到悬浮液，将悬浮液与己内酰胺混合，然后进行连续开环缩聚反应，反应温度为230-330℃，反应时间为15-25h；后经多级热水萃取、干燥及冷却后得到原位聚合碳纳米管pa6母粒；
33、(2)将pa6和原位聚合碳纳米管pa6按照一定质量比添加并搅拌混合均匀，得到pa6混合物，将pa6混合物和炭黑混合，熔融挤出、干燥、切粒得到炭黑/碳纳米管pa6母粒。
34、进一步的方案，步骤(3)中，先制备气凝胶聚酯切片，再将聚酯切片和气凝胶聚酯切片按照一定质量比添加并搅拌混合均匀，得到聚酯混合物；然后将聚酯混合物和白色导电组分的粉体按照一定质量比混合，熔融挤出、干燥、切粒得到含有气凝胶和白色导电组分的聚酯切片；
35、优选的，所述气凝胶聚酯切片的制备方法包括：
36、(1)将二元醇、对苯二甲酸混合，进行酯化反应，得到聚酯低聚物；
37、(2)将对苯二甲酸、含有超细气凝胶的二元醇混合，进行酯化反应，得到含气凝胶聚酯低聚物；
38、(3)将聚酯低聚物和含气凝胶聚酯低聚物按照70-99：30-1的质量比例搅拌共混充分后再进行预缩聚得到气凝胶共聚酯预聚物，再进行终缩聚，得到气凝胶聚酯切片；
39、优选的，(1)中，二元醇、对苯二甲酸按照醇酸摩尔比为1.05-2.0混合制成浆料；
40、优选的，所述超细气凝胶选自sio2、al2o3、tio2、mgo、al2o3/sio2、b2o3/sio2、fe2o3/sio2、mgo/al2o3/sio2的一种或几种；
41、优选的，所述超细气凝胶的粒径小于500nm。
42、进一步的方案，所用的聚酯可选用pet。
43、采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
44、(1)本发明中，选用白导电聚酯组分作为皮层，聚酰胺组分作为芯层，高导电性能的炭黑/碳纳米管协同增效导电聚酰胺组分又以异形结构加入到芯层内部，一方面部分炭黑/碳纳米管协同增效导电聚酰胺组分直接与皮层接触，可将纤维表面的电荷直接传递至芯层位置的炭黑/碳纳米管成分，两种导电组分相互协同作用，提高纤维的导电性能；另一方面大部分炭黑/碳纳米管协同增效导电聚酰胺组分被全消光聚酰胺包裹，使得大部分炭黑的颜色被遮蔽，减少炭黑对成品颜色的影响。
45、另外，选用聚酰胺作芯，聚酯作皮，一方面由于聚酰胺的导电性要比聚酯好，可利用其更加优异的导电性，来提高整个纤维的导电性能和强度，且聚酰胺做出的织物手感更加柔软，另一方面聚酯良好的力学性能、色牢度高、耐光、成本低等优点，且气凝胶经碱处理后脱落形成孔洞又赋予纤维具有吸湿速干的功能，使得整个纤维兼具两种组分的性能优势。
46、(2)本发明选用白导电聚酯组分作为皮层，既降低了炭黑颜色对纤维成品的影响，又在皮层引入了气凝胶成分，可使纤维表面凹凸不平且表面积增大，尤其是在后续碱处理后可使气凝胶成分脱落形成孔洞，造成纤维产生漫反射作用而使得芯层的炭黑颜色不会从皮层透射出来，来降低纤维的透明度，而使白度增加。皮层包裹芯层，又引入气凝胶成分，能够在皮层不加光遮蔽剂的情况下，降低那少部分炭黑直接与皮层接触带来的颜色影响，增加了纤维的白度，丰富了纤维可染颜色的选择。
47、(3)本发明中，主导电部选用的是利用少量碳纳米管代替部分炭黑，碳纳米管通过原位聚合技术均匀分散到聚酰胺基体中，再与聚酰胺、炭黑共混造粒得到炭黑/碳纳米管协同增效导电母粒。高长径比的碳纳米管有利于长程电荷的传输，炭黑颗粒会富集在碳纳米管附近，通过协同增效作用形成导电网络，可有效降低逾渗阈值，在保持优异导电性能的同时，可有效减少炭黑的用量，提高纤维的可纺性，且能够降低炭黑对颜色的影响。
48、(4)本发明中纤维既可以制备长丝，也可以制备短纤，其中，选用做短纤，目的是为了缩短电荷从芯层内部通过炭黑型导电部分传递至外部的距离，及时将静电消除。同时相较于长丝，短纤制备难度更为简单。另外，聚酰胺与聚酯的相容性不是很好，短纤维后续使用过程中可能会因碱处理而导致皮层与芯层分开。考虑到这一点，在做短纤时，皮层加一定比例的pa6，以增加相容性，避免剥离问题。
49、下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
1.一种可染色的高导电性纤维，其特征在于，包括芯层和包覆在芯层外周的皮层，芯层内部设有主导电部，且少部分主导电部与皮层直接接触，所述芯层：皮层：主导电部的质量百分比为50-70％：30-20％：20-10％；所述芯层为全消光聚酰胺，所述主导电部含有炭黑/碳纳米管协同增效导电聚酰胺，所述皮层为含有气凝胶和白色导电组分的聚酯。
2.根据权利要求1所述的可染色的高导电性纤维，其特征在于，纤维的横截面中，主导电部被芯层包裹的部分的周长与导电部与皮层直接接触部分的周长的比例为4-8:1；
3.根据权利要求1或2所述的可染色的高导电性纤维，其特征在于，所述主导电部为含有炭黑和碳纳米管的聚酰胺，其中炭黑的占比为10-20wt％，碳纳米管的占比为4-10wt％。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的可染色的高导电纤维，其特征在于，芯层和主导电部中的聚酰胺选自pa6,pa66，pa56中的一种或几种；优选为pa6。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的可染色的高导电性纤维，其特征在于，所述皮层中白色导电组分的占比为15-35wt％，气凝胶的占比为1-5wt％；
6.根据权利要求1-5任意一项所述的可染色的高导电性纤维，其特征在于，可染色的高导电性纤维为长丝或短纤；
7.一种如权利要求1-6任意一项所述可染色的高导电性纤维的制备方法，其特征在于，包括：
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，聚酰胺为pa6，制备全消光pa6切片的方法包括：
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，含有炭黑和碳纳米管的聚酰胺母粒，其制备方法包括：
10.根据权利要求7中任意一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，先制备气凝胶聚酯切片，再将聚酯切片和气凝胶聚酯切片按照一定质量比添加并搅拌混合均匀，得到涤纶混合物；然后将涤纶混合物和白色导电组分的粉体按照一定质量比混合，熔融挤出、干燥、切粒得到含有气凝胶和白色导电组分的聚酯切片；
