聚氨酯高弹性导电纤维的制备及性能研究

摘要

近些年来，随着移动互联网的快速发展，智能可穿戴设备逐渐成为研究热点。在目前已实现的智能可穿戴设备中使用的导线多为金属导线，虽然金属导线可以达到足够的导电性，但是由于金属材料的限制，其质量大、易破损、无法拉伸的缺陷限制了可穿戴设备的使用。为了得到高导电性能和拉伸性能的导电纤维，本文通过溶胀涂覆法得到了具有导电性和高弹性的多壁碳纳米管@聚氨酯(MWCNTs@PU)柔性导电纤维，研究了混合溶液的体积比与多壁碳纳米管浓度对MWCNTs@PU柔性导电纤维的影响，并对其导电性、拉伸导电性、耐水洗性和传感性等进行测试分析。为了进一步提高纤维的导电性，选择对酸化多壁碳纳米管@聚氨酯(MWCNTs-COOH@PU)柔性导电纤维进行拉伸化学镀银处理，研究敏化剂（SnCl2）、活化剂（AgNO3）、还原剂（葡萄糖）、稳定剂（乙醇）的浓度和反应时间对纤维镀银效果的影响，并对其导电性、拉伸导电性、耐水洗性、耐腐蚀性和导线替代性能进行测试分析。主要研究内容如下。 (1) 通过溶胀涂覆法与拉伸化学镀银法分别制得了MWCNTs@PU和Ag@MWCNTs-COOH@PU导电纤维。 (2) 当N,N-二甲基乙酰胺与乙醇的体积比为1.37：1，碳纳米管在分散液中的含量是0.34%时，浸润时间为120 s时，纤维的导电性可以达到3 S/m，断裂强度和断裂伸长率分别为62.45MPa和1176.59%，具有良好的机械性能和导电性能。该导电纤维在去离子水中超声水洗60min后仍能达到σ=10-1 S/m；最大伸长率为200%时，经过1000次拉伸后电导率只下降了一个数量级，约为原来13%，具有良好的拉伸导电性能、良好的耐水洗性能和传感性能。 （3）当氯化亚锡浓度为20 g/L、活化剂硝酸银浓度为2 g/L、葡萄糖浓度为10 g/L、硝酸银为10 g/L、乙醇浓度为40 ml/L、镀银时间为60 min时，Ag@MWCNTs-COOH@PU纤维的导电性最好，可以达到7.80×104 S/m，与MWCNTs@PU纤维相比，其导电性提高了近3万倍。在100%拉伸下进行化学镀银得到的导电纤维的拉伸导电性最好，此纤维在伸长率小于50%时电导率变化较小，约为原导电率的18%，当拉伸至100%时，纤维的电导率仍能达到43 S/m。当保持最大伸长率为100%时，经过1000次拉伸后，该纤维的电导率仍可保持在102 S/m左右，约为原来的17%。经过30min水洗，Ag@MWCNTs-COOH@PU纤维的电导率下降到了原来的43.38%，具有良好的耐水洗性能。且在生理盐水中浸泡6h后，其电导率下降到了原来的20%，耐腐蚀性能较好。此外在电源为4.5 V的电路中，制得的柔性导电纤维作为导线可以点亮一盏LED小灯泡，而且随手指关节运动时仍保持常亮。

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