基于碳納米管-聚乙烯醇涂層紗線的柔性傳感材料研究.pdf

1、隨著社會發(fā)展，柔性傳感材料越來越受到國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。它可以與紡織品結(jié)合，制備智能紡織品，用于人體健康或運動狀態(tài)監(jiān)控、娛樂休閑等領(lǐng)域。碳納米管（carbon nanotube,簡稱CNT）紗線具有優(yōu)異的電學(xué)性能、柔韌性及壓阻傳感效應(yīng)，是制備柔性導(dǎo)電/傳感材料的理想選擇。然而，CNT紗線由于直徑較小，且內(nèi)部CNTs僅靠較弱的范德華力連接，結(jié)構(gòu)松散，排列紊亂，其拉伸力學(xué)、耐磨等機(jī)械性能不能滿足紡織品織造、洗滌等要求。此外，CNTs為納米

2、尺寸，與皮膚直接接觸容易進(jìn)入人體表皮細(xì)胞，帶來安全隱患，也限制了CNT紗線在智能紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決以上問題，本課題通過涂層復(fù)合的方法制備了具有皮芯結(jié)構(gòu)的碳納米管/聚乙烯醇（CNT/PVA）涂層紗線，并研究了其在柔性應(yīng)變傳感、柔性濕敏開關(guān)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　首先，本課題研究了CNT紗線的基本性能及其在空氣中的熱氧化，為碳納米管/聚合物復(fù)合紗線制備工藝進(jìn)行探索。研究發(fā)現(xiàn)，250℃以上熱淬火處理會使CNT紗線直徑收縮，表面含氧

3、官能團(tuán)增加，拉伸斷裂模式從韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，斷裂伸長率降低。相同溫度下熱退火處理不會影響其斷裂伸長率。表明碳納米管/聚合物復(fù)合紗線制備過程中，應(yīng)避免使固化溫度高于250℃，且避免快速降溫或快速升溫。
　　然后，本課題設(shè)計了一套用于碳納米管/聚合物涂層紗制備的涂層復(fù)合設(shè)備。本課題制備的CNT/PVA涂層紗具有皮芯結(jié)構(gòu)，由CNTs芯層與CNT-PVA復(fù)合層構(gòu)成，且CNT-PVA復(fù)合層的厚度可調(diào)節(jié)。當(dāng)PVA聚合物溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％時

4、，CNT/PVA涂層紗的拉伸強(qiáng)度為249.9MPa，比純CNT紗線的145.5MPa提升了71.7%；楊氏模量為6.69GPa，比純CNT紗線的2.6GPa提升了157%；其斷裂伸長率相對穩(wěn)定，耐磨性提高1倍，且磨損后呈塊狀的CNT-PVA復(fù)合層碎屑不會進(jìn)入皮膚，在使用中更為安全。
　　其次，本課題制備了基于CNT/PVA涂層紗的柔性應(yīng)變傳感材料。采用5%PVA溶液制備的CNT/PVA涂層紗的電導(dǎo)率為447.1 S/cm，可用作柔

5、性導(dǎo)線。其傳感系數(shù)為2.36，比純CNT紗線的1.64提高44%，且線性度接近于1，皆優(yōu)于文獻(xiàn)報道的同類型應(yīng)變傳感材料。CNT/PVA涂層紗的拉伸傳感系數(shù)、導(dǎo)電性在循環(huán)拉伸與漸進(jìn)拉伸中擁有很好的穩(wěn)定性。該CNT/PVA涂層紗線可植入智能織物中，用于人體運動形態(tài)監(jiān)測。
　　最后，本課題制備了基于CNT/PVA涂層紗線的柔性濕敏開關(guān)傳感材料。該傳感材料的電阻在低相對濕度（RH）下幾乎不變，當(dāng)RH高于75%以后，由于PVA的吸濕溶脹性，