基于天然橡胶和纤维素材料的应力传感器件的制备与性能研究

发布时间：2020-07-19 22:44

【摘要】：利用生物质材料制备具有特殊功能的复合材料,对开发环境友好型可再生资源具有重要的科学意义与社会价值。天然橡胶,属于绿色环保材料,具有弹性大、易于与其它材料粘合等特点。纤维素材料质轻价廉、来源丰富且可再生,是一种含碳丰富的材料。本文以天然橡胶为基底材料、纤维素组份作为导电介质来构建功能性传感器,借助各种表征手段,对材料的特征和性能进行系统的分析与讨论。主要研究内容如下:第一,介绍了天然橡胶/碳化废弃棉织物复合材料,并通过三种复合方式(真空注入法、负压刮涂法和滴加涂覆法)制备出了复合织物。光学照片与扫描电子显微镜(SEM)结果表明织物在碳化和复合橡胶后都保留了原有的织物结构,为复合材料具有稳定导电性能奠定基础。通过样品的应力-应变测试分析可知,橡胶的复合使碳化织物样品的强力得到很大的提升,但也使样品产生了一定应变迟滞效应。而对样品进行定长反复拉伸测试得到,样品在不同应变下均具有较稳定的传感能力,即使多次循环也能保持一定的稳定性。另外,将制备的传感器件应用于人体手指弯曲动作的记录和手臂弯折时的肌肉变化的监测。第二,在天然橡胶/碳化织物的基础上,发展出天然橡胶/碳化木棉纤维复合材料。利用真空抽滤法成功制备了木棉纤维集合体,集合体经过高温碳化后,采用负压法将天然橡胶成功与碳化木棉纤维集合体进行复合。表征结果显示,天然橡胶只对碳化纤维进行了表面包覆,并未使纤维集合体变成橡胶块。在材料的性能上,对样品进行了一系列的性能测试,证明了材料具有稳定的导电能力和压缩应变能力。反复的定量压缩试验,进一步说明材料具有稳定可靠的压缩应变传感能力。第三,在天然橡胶/碳化木棉纤维压缩传感材料的基础上,发展出天然橡胶/聚苯胺/木棉纤维复合体系。该复合体系先利用盐酸、过硫酸铵和苯胺单体在木棉纤维上成功制备了聚苯胺/木棉纤维集合体,然后将天然橡胶作为粘合剂复合进纤维集合体中。此制备方法保持了木棉纤维原有的力学特性,同时使木棉纤维具有了导电能力。表征结果表明,聚苯胺在纤维上的聚合的量有限,从而使得样品只能在压缩状态下具有导电效果,由此使所制备的样品具有作为电学开关使用的可能。利用重量不同的砝码,给予样品不同的压力,以此对样品进行反复压缩测试,结果表明样品能表现出较为稳定的电阻变化规律,且不同砝码对应的电阻变化率与材料的应力曲线可以对应,证明了材料也具有稳定的压缩应变传感性能。
【学位授予单位】：武汉纺织大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TS101.921
【图文】：

结构式,纤维素

1 绪论1.1 天然纤维材料纤维素（cellulose）是植物细胞壁的主要成分，是一种由葡萄糖组成的大分子多糖物质，在自然界中分布广泛，其含碳量占所有植物总碳含量的 50%以上。纤维素是由纤维二糖重复单元通过糖苷键连接而成的线性高分子材料，相邻葡萄糖环倒置，环结构呈“椅式”结构。整个大分子链结构规整，对称性良好、结晶性高，其分子结构示意图如图 1.1[1]所示。由于纤维素中含有较多的脱水葡萄糖单元，其结构中较多的羟基会形成大量的分子间和分子内氢键，氢键之间的相互作用使得纤维素链的连接更为紧密，促使纤维素具有良好的力学性能[2]。纤维素材料来源丰富，具有价格低廉、生物可降解、资源可再生、高机械强度[3-4]的特点，作为一种来源广泛且具有优异性能的天然高分子材料，纤维素的应用领域得到不断拓展，并在很多方面已经有了广泛的应用。较为常见的天然纤维素材料有棉纤维、麻纤维、竹纤维、木质纤维和木棉纤维等。

棉纤维,可纺性能,纯纺,浮力材料

1.1.2 木棉纤维概述木棉纤维，颜色为乳黄色，光泽好（图 1.2（b）），是一种植物果实纤维。木棉纤维质轻，表面光滑且附着有一层蜡质，截面是较规整的圆形且有大中腔，具有防霉、轻柔、不透水、不导热，保暖、吸湿性强等特点[5]。由于木棉表面光滑无转曲，导致其可纺性能差，一般难以纯纺，要与其他纤维一起混纺，再制成纺织品。除此之外，木棉纤维还能用作填充絮料、浮力材料、隔热吸音材料等。

织物,组织结构图,温度变化,高温管式炉

2.2.3 碳化织物的制备废弃棉织物经过去离子水与无水乙醇洗涤烘干后(洗净后的织物记为 Pristine fabrics，PF)，由石英坩埚盛放并放入高温管式炉中进行高温碳化。将棉织物剪成 2cm 7cm 的长条状，置入坩埚中并放置到高温管式炉内石英管的中段，开始碳化前先通入 30min 氮气N2用来排除管内的氧气。温度变化曲线如图 2.1（b）。碳化过程中，样品先以 5℃/min的升温速度从室温加热到 150℃，150℃保温 30 min 后，再以 5℃/min 的升温速度加热到 450℃并保温 30min，然后再以 3℃/min 的升温速度加热至 750℃并保温 60min。最后，当炉内温度自然冷却到室温，即可得到碳化的样品(碳化织物 Carbonized fabrics, CF)。

【参考文献】