本文關(guān)鍵詞：導電纖維網(wǎng)絡構(gòu)筑及其外場響應性能研究　出處：《鄭州大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：近年來,基于導電高分子復合材料(Conductive polymer composites,CPCs)的功能化高分子材料引起了研究者的高度關(guān)注。CPCs結(jié)合了高分子基體及納米填料的優(yōu)異性能,具有質(zhì)輕、低成本、柔性以及功能多樣化等特點,廣泛應用于食品檢測、化工能源以及新型智能傳感器等領(lǐng)域。對CPCs而言,其電性能以及實際應用中的穩(wěn)定性等是由導電網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)所決定的,而導電網(wǎng)絡則由多種因素控制,包括填料種類、分散方法以及基體微觀形態(tài)等。為獲得更有效的導電網(wǎng)絡,以提高復合材料基傳感器的靈敏度、響應速率和穩(wěn)定性等,探究不同導電網(wǎng)絡構(gòu)筑方式對CPCs電性能及使用性能的影響顯得尤為重要。本文基于靜電紡絲纖維網(wǎng)絡構(gòu)建了CPCs,材料具有柔性、比表面積大以及易設計等特點,分析了由零維和一維導電填料構(gòu)筑的導電網(wǎng)絡帶來的不同濕敏行為,以及基體微觀形態(tài)改變對應力場的不同應激響應行為,探明了CPCs導電網(wǎng)絡構(gòu)建機制對CPCs電性能及敏感性能的影響,可為材料在敏感器件領(lǐng)域的應用提供理論依據(jù)。主要研究成果如下:1.炭黑(CB)/尼龍6(PA6)和碳納米管(CNTs)/PA6導電纖維膜的制備及其應激行為的對比研究1)利用靜電紡絲技術(shù)和超聲誘導技術(shù),分別將不同維度的導電填料(零維CB和一維CNTs)選擇性分布在電紡PA6納米纖維表面,得到CB/PA6和CNTs/PA6導電納米纖維膜,納米纖維網(wǎng)絡可以對導電填料的分散起到控制和承載作用。2)掃描電子顯微鏡(SEM)圖和伏安特性曲線表明兩種填料形成的導電網(wǎng)絡和導電機制不同,這是由其幾何形態(tài)差異決定的。3)兩種材料的濕敏響應行為表現(xiàn)出較快的響應速率,較大的感濕量程,且響應度隨相對濕度值變大呈指數(shù)增長現(xiàn)象。CB/PA6材料的濕敏響應度更高,而CNTs/PA6的穩(wěn)定性較好。另外,高濕預處理可明顯改善材料濕敏響應的穩(wěn)定性。4)兩種導電纖維膜對于甲酸氣體的響應均近似線性,達到吸附平衡的時間較短,可重復性較好。CB/PA6纖維膜響應度較高,更能感知微小氣體濃度變化,而CNTs/PA6纖維膜則表現(xiàn)出穩(wěn)定性較好的優(yōu)勢。5)彎曲測試表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,體現(xiàn)了材料的柔性。隨著彎曲半徑變大材料電阻呈非線性增大。CB/PA6材料的彎曲響應度更高,即其對材料微小形變的感知更強,這與濕敏和氣敏結(jié)果一致。2.PA6取向纖維的制備及其機理研究1)通過添加絡合劑氯化鈣(CaCl_2)來屏蔽PA6分子間氫鍵,使其在靜電紡絲低速滾筒下便可以被拉伸,再將CaCl_2除去而得到取向PA6纖維。通過不同的表征手段研究絡合機理,SEM圖片顯示纖維為取向多孔結(jié)構(gòu),并與傅里葉紅外光譜(FTIR)、差示掃描量熱法(DSC)和熱重分析(TGA)結(jié)果共同證明CaCl_2/PA6復合物中絡合作用的存在使PA6氫鍵被屏蔽,解絡合中CaCl_2被完全除去。2)通過對比PA6取向纖維和PA6無規(guī)纖維的力學性能,得出PA6取向纖維膜的拉伸強度和斷裂伸長率均有所提高。3.CNTs/PA6取向?qū)щ娎w維膜拉敏行為的各向異性及對微小應變的檢測1)將CNTs超聲分散到靜電紡絲PA6取向纖維表面制備CNTs/PA6取向?qū)щ娎w維膜。PA6纖維的取向結(jié)構(gòu)可對CNTs導電網(wǎng)絡的構(gòu)筑起到控制作用。2)取向方向上的拉伸強度和斷裂伸長率遠大于垂直方向,使纖維膜在受到兩個方向上的拉伸作用力時,其性能具有明顯的各向異性:取向方向可以檢測到的應變范圍較大,響應度較小;而垂直方向上由于緊鄰的纖維之間作用力較弱而易被分開,使導電網(wǎng)絡響應度較高,對微小應變(0.2%)仍具有非常好的分辨能力。3)垂直方向試樣可以實現(xiàn)快速響應(響應時間100 ms),采用較大拉伸速率和拉伸預處理均可改善拉敏響應的穩(wěn)定性。人體表征測試表現(xiàn)出較好的可重復性,體現(xiàn)了材料具有柔性,可以快速地檢測到人體極其微小的運動信號。該性能可用于實時監(jiān)測人體健康狀況,也可傳達一些語言或情緒信息,大大擴展了其作為柔性可穿戴應變傳感器的實際應用范圍。
[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 .

【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ342.83

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本文編號：1411694