导电TPU复合纤维纱线连续制备及敏感性能研究

摘要

新一代的可穿戴电子对材料提出了更多要求，例如可拉伸、可直接贴合于人体皮肤表面、质轻以及微型化等。基于碳纳米管（CNTs）的导电纱线由于具有良好柔性、特殊的线性结构、可编织成不同形状而被广泛用于柔性应变传感器、气体传感器、超级电容器等。然而，同时赋予纱线良好的导电性以及可拉伸性，并实现其规模化生产却存在一定困难。本文，我们在静电纺丝所得到的定向排列的热塑性聚氨酯（TPU）纤维表面连续超声吸附多壁碳纳米管（MWNTs）以及单壁碳纳米管（SWNTs），从而制备了高导电的SWNTs/MWNTs/TPU 纤维纱线。然后，我们系统研究了所制备的复合纤维纱线的结构与性能的关系，并探索了该复合纤维纱线对有机气体的响应行为。此外，我们将制备的复合纤维纱线浸渍于聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液，从而制备了具有芯壳结构且可拉伸的导电SWNTs/MWNTs/TPU/PDMS纤维纱线。接着，我们系统研究了其对拉伸应变的敏感行为，并将该复合纤维纱线用于人体多个关节运动的监测，以探索其在可穿戴应变传感器领域的潜在应用。主要研究结果如下： （1）我们通过将静电纺丝以及水浴收集获得的定向排列的TPU纤维依次牵引入 MWNTs 分散液和 SWNTs 分散液，并进行连续超声吸附，从而制备了SWNTs/MWNTs/TPU纤维纱线。连续超声吸附MWNTs和SWNTs提升了纤维纱线的热稳定性、力学强度，同时赋予了纤维纱线高导电性（13 S/cm）。此外，MWNTs和SWNTs在超声的物理作用下进入纤维内部并搭接形成三维的纳米网络。通过结构表征以及粘附性测试，发现MWNTs、SWNTs与TPU纤维基底之间存在着相互作用。进一步，我们探索了其在柔性有机气体传感器中的应用潜力。分别研究了该复合纤维纱线对三种有机气体的敏感性，发现它对不同气体具有不同的响应度和稳定性，其中对乙酸乙酯的响应度最高且稳定性较好。 （2）将上述复合纤维纱线浸渍于PDMS稀溶液，从而制备了导电且可拉伸的SWNTs/MWNTs/TPU/PDMS纤维纱线。通过纱线的断面结构观察，发现该复合纤维纱线形成了芯壳结构，纱线内部的PDMS 封装并固定了纤维网络，外围的PDMS 形成了均匀致密且具有一定厚度的壳层，从而实现了对纤维纱线的包覆。PDMS的封装并没有明显改变复合纤维纱线的导电性，我们进一步研究了该复合纤维纱线对应变的敏感行为。研究发现，该复合纤维纱线展现了比较好的应变传感效果，可适应的应变范围可达100%，且在2000个大应变（50%）循环下保持较好的可回复性和稳定性。最后，我们将其与织物组合后制备成可穿戴的应变传感器并用于人体多个关节的运动监测，例如脖颈、手腕、膝盖等。

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