导电纤维网络构筑及其外场响应性能研究

发布时间：2018-01-11 23:21

本文关键词：导电纤维网络构筑及其外场响应性能研究　出处：《郑州大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,基于导电高分子复合材料(Conductive polymer composites,CPCs)的功能化高分子材料引起了研究者的高度关注。CPCs结合了高分子基体及纳米填料的优异性能,具有质轻、低成本、柔性以及功能多样化等特点,广泛应用于食品检测、化工能源以及新型智能传感器等领域。对CPCs而言,其电性能以及实际应用中的稳定性等是由导电网络的结构所决定的,而导电网络则由多种因素控制,包括填料种类、分散方法以及基体微观形态等。为获得更有效的导电网络,以提高复合材料基传感器的灵敏度、响应速率和稳定性等,探究不同导电网络构筑方式对CPCs电性能及使用性能的影响显得尤为重要。本文基于静电纺丝纤维网络构建了CPCs,材料具有柔性、比表面积大以及易设计等特点,分析了由零维和一维导电填料构筑的导电网络带来的不同湿敏行为,以及基体微观形态改变对应力场的不同应激响应行为,探明了CPCs导电网络构建机制对CPCs电性能及敏感性能的影响,可为材料在敏感器件领域的应用提供理论依据。主要研究成果如下:1.炭黑(CB)/尼龙6(PA6)和碳纳米管(CNTs)/PA6导电纤维膜的制备及其应激行为的对比研究1)利用静电纺丝技术和超声诱导技术,分别将不同维度的导电填料(零维CB和一维CNTs)选择性分布在电纺PA6纳米纤维表面,得到CB/PA6和CNTs/PA6导电纳米纤维膜,纳米纤维网络可以对导电填料的分散起到控制和承载作用。2)扫描电子显微镜(SEM)图和伏安特性曲线表明两种填料形成的导电网络和导电机制不同,这是由其几何形态差异决定的。3)两种材料的湿敏响应行为表现出较快的响应速率,较大的感湿量程,且响应度随相对湿度值变大呈指数增长现象。CB/PA6材料的湿敏响应度更高,而CNTs/PA6的稳定性较好。另外,高湿预处理可明显改善材料湿敏响应的稳定性。4)两种导电纤维膜对于甲酸气体的响应均近似线性,达到吸附平衡的时间较短,可重复性较好。CB/PA6纤维膜响应度较高,更能感知微小气体浓度变化,而CNTs/PA6纤维膜则表现出稳定性较好的优势。5)弯曲测试表现出较好的稳定性,体现了材料的柔性。随着弯曲半径变大材料电阻呈非线性增大。CB/PA6材料的弯曲响应度更高,即其对材料微小形变的感知更强,这与湿敏和气敏结果一致。2.PA6取向纤维的制备及其机理研究1)通过添加络合剂氯化钙(CaCl_2)来屏蔽PA6分子间氢键,使其在静电纺丝低速滚筒下便可以被拉伸,再将CaCl_2除去而得到取向PA6纤维。通过不同的表征手段研究络合机理,SEM图片显示纤维为取向多孔结构,并与傅里叶红外光谱(FTIR)、差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)结果共同证明CaCl_2/PA6复合物中络合作用的存在使PA6氢键被屏蔽,解络合中CaCl_2被完全除去。2)通过对比PA6取向纤维和PA6无规纤维的力学性能,得出PA6取向纤维膜的拉伸强度和断裂伸长率均有所提高。3.CNTs/PA6取向导电纤维膜拉敏行为的各向异性及对微小应变的检测1)将CNTs超声分散到静电纺丝PA6取向纤维表面制备CNTs/PA6取向导电纤维膜。PA6纤维的取向结构可对CNTs导电网络的构筑起到控制作用。2)取向方向上的拉伸强度和断裂伸长率远大于垂直方向,使纤维膜在受到两个方向上的拉伸作用力时,其性能具有明显的各向异性:取向方向可以检测到的应变范围较大,响应度较小;而垂直方向上由于紧邻的纤维之间作用力较弱而易被分开,使导电网络响应度较高,对微小应变(0.2%)仍具有非常好的分辨能力。3)垂直方向试样可以实现快速响应(响应时间100 ms),采用较大拉伸速率和拉伸预处理均可改善拉敏响应的稳定性。人体表征测试表现出较好的可重复性,体现了材料具有柔性,可以快速地检测到人体极其微小的运动信号。该性能可用于实时监测人体健康状况,也可传达一些语言或情绪信息,大大扩展了其作为柔性可穿戴应变传感器的实际应用范围。
[Abstract]:Carbon black ( CB ) / nylon 6 ( PA6 ) and carbon nanotubes ( CNTs ) / PA6 conductive nanofiber membrane are widely used in the fields of food detection , chemical energy and new intelligent sensors . The results show that the tensile strength and elongation at break of PA6 oriented fiber membrane can be improved . The tensile strength and elongation at break of PA6 fiber membrane can be controlled by comparing the mechanical properties of PA6 oriented fiber and PA6 random fiber .

【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ342.83

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