基于电纺纤维网络构筑的导电高分子复合材料及其应变敏感性能研究

摘要

导电高分子复合材料（CPCs）的结构及性能调控是高分子材料领域的研究热点之一，近来得到研究者的广泛关注。CPCs广泛应用于电阻式应变传感器，在电子皮肤、人体运动监控和材料破坏行为监测等领域应用前景广阔。本文基于CPCs的结构性能调控及应变敏感行为研究，提出了含预制导电功能化静电纺丝纤维网络的CPCs基应变传感器的制备方法，研究了该材料的形态结构特征及拉伸敏感行为，主要成果如下：
　　1、含碳纳米管（CNTs）修饰静电纺丝纤维网络的CPCs
　　CNTs具有优异的电学和机械性能，是制备CPCs的重要填料。然而，传统熔融或溶液共混法很难制备出兼具良好电学、机械及应变敏感性能的CNTs填充型CPCs。导致该现象的机制主要是因为CNTs填充型CPCs用作应变传感器时，为了获得重复性优异的响应信号，体系所需CNTs含量通常较高，而在高含量下， CNTs极易团聚并最终导致机械性能的损失。因此，如何制备出综合性能优异的CPCs基应变传感器仍是该领域的一个挑战。
　　本文提出了一种新颖的CNTs填充型CPCs的制备方法，具体是指采用高分子溶液浇筑法将预制的CNTs修饰的尼龙6（PA6）电纺纤维膜嵌入到聚乙烯醇（PVA）基体内，通过该方法容易获得电学、机械及应变敏感性能均优的CPCs基应变传感器。我们通过超声法将CNTs修饰在PA6电纺纤维表面，预先构筑具有导电功能的电纺纤维网络，并研究了 CNTs-PA6导电纤维膜的电学、力学和拉伸敏感性能， CNTs在PA6纤维表面的特殊分布状态，除有效提高复合材料的电导率外，还能改善了PA6纤维及PVA基体间的界面结合，从而为基体材料拉伸性能的提高提供了可能。增加 CNTs-PA6纤维膜层数能够进一步改善复合材料的电性能，相应结果为 CNTs-PA6/PVA复合材料的拉伸敏感性能调控提供了实验依据。但会对材料力学性能产生不利影响，最终我们择优选择含两层CNTs-PA6纤维膜的复合材料（CNTs-PA62/PVA）作为研究对象。该复合材料的单轴拉伸响应曲线呈阶段式变化，每阶段分别对应不同的结构破坏模型，我们对相应模型进行了详细分析。循环拉伸测试结果表明，CNTs-PA62/PVA复合材料在不同的变形水平下表现出易区分的响应行为，如循环最大响应度（Rmax/R0）偏移程度及肩峰峰强之间存在较大差异，这些可以作为自诊断指标分析该复合材料内部结构破坏程度。此外，多次拉伸/回复循环和预拉伸处理能显著改善复合材料拉伸响应行为的可重复性。
　　2、含炭黑（CB）修饰静电纺丝纤维网络的CPCs
　　CB具有较低的维度（零维），其构建的导电网络对外场刺激往往具有灵敏的响应行为，因此，我们利用CB代替CNTs，采用相同的制备工艺制得含一层纤维膜的 CB-PA6/PVA复合材料，详细研究了该复合材料的拉伸响应行为。研究结果表明 CB-PA6/PVA复合材料具有稳定的响应信号和良好的可重复性及耐久性，适宜作为应变传感器使用。我们还发现CB和CNTs结构的不同会导致导电网络构筑方式的不同，从而使相应复合材料体系的拉伸敏感行为之间存在较大差异。本研究对制备综合性能优异的应变传感器具有重要的指导作用。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 导电高分子复合材料

1.3 导电高分子复合材料的外场响应行为

1.4 CNTs基应变传感器研究进展

1.5 本文的研究目的及主要内容

2 CNTs-PA6导电纤维膜的制备及拉伸敏感性能研究

2.1 引言

2.2 实验过程

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3 CNTs-PA6/PVA复合材料的制备及拉伸敏感性能研究

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 CB-PA6/PVA复合材料的制备及应变响应行为研究

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 本论文主要结论

5.2 展望

参考文献

个人简介

研究生期间发表论文和专利情况

致谢