碳纳米管/涤纶长丝包缠纱的制备与性能研究

摘要

碳纳米管纱线具有高强度、高传导性和应变传感等特性，被国内外的研究学者广泛关注。其纤维状结构和柔性特征，也使其成为极具应用前景的智能纺织材料。但碳纳米管纱线的直径小、伸长率低、耐磨性差等缺陷，导致其可织造性能较差。为了将碳纳米管纱线应用于纺织领域，同时提高其断裂伸长和断裂强力，本课题将碳纳米管纱线与涤纶长丝结合，制备碳纳米管/涤纶长丝包缠纱，主要对其力学性能、导电性能和应变传感性能进行了系统的测试和分析。
　　首先，本文设计并搭建制备碳纳米管/涤纶长丝包缠纱的可控装置。该装置在芯片驱动系统的控制下维持芯纱同向转动，从而在皮纱横向移动下实现了碳纳米管对涤纶长丝的包缠。实验在不破坏碳纳米管纱线的拉伸力学和耐磨性基础上制备了单面包缠和双面对称包缠两种不同结构的包缠纱。
　　其次，实现了单面碳纳米管/涤纶长丝包缠纱的制备和测试分析。分别制备了捻回数为100、120、140、180和250的碳纳米管/涤纶单面包缠纱。采用数字式三维视频显微镜、单纤强力拉伸仪和两探针电阻测试仪对包缠纱的形态结构、力学性能以及应变传感性能进行测试和分析。结果表明：不同捻回数的单面包缠纱结构紧密均匀；随着捻回数增加，碳纳米管纱线的断裂伸长率和断裂强力均逐渐上升，并且捻回数在250时，断裂伸长率和断裂强力最大，分别提高5倍和10倍左右；同时，当捻回数为100-140时，包缠纱具有双传感系数特征，即在拉伸的初始阶段，传感系数较低为0.5左右，当拉伸应变高于23％以后，传感系数急速上升至1.57左右，与碳纳米管纱线的传感系数（1.69）相当；当捻回数高于140时，包缠纱传感性能出现明显的波动；经过20次反复循环拉伸后，包缠纱力学和电学均出现较为明显的波动和下降。
　　再次，实现了双面碳纳米管/涤纶长丝包缠纱的制备和测试分析。制备得到捻回数为80、100、120、150、170和200的碳纳米管/涤纶双面对称包缠纱。结果显示，双面对称包缠纱的结构比单面包缠纱更为均匀紧致；捻回数为200时，包缠纱中碳纳米管纱线断裂伸长率和断裂强力均提高5倍左右；随着捻回数的增加，碳纳米管纱线的断裂次数增多；经过20次反复循环拉伸后，双面对称包缠纱的电阻和电阻变化率随时间变化相对单面包缠纱更为稳定。
　　最后，通过在碳纳米管纱线上原位聚合生成聚苯胺，得到耐磨性能更好的碳纳米管聚苯胺复合纱线，将其与涤纶进行单面和双面包缠后得到聚苯胺改性碳纳米管/涤纶包缠纱。结果表明，碳纳米管聚苯胺复合纱线在氧化聚合时间为4h时，其断裂强度提高142%，杨氏模量增加2倍以上，电导率提高了一个数量级。采用氧化聚合时间为4h的复合纱，制备捻回数为120的聚苯胺改性碳纳米管/涤纶包缠纱，经过20次反复循环拉伸，聚苯胺改性碳纳米管/涤纶包缠纱的电学性能均比碳纳米管/涤纶包缠纱更稳定，为碳纳米管纱线在纺织领域的应用提供了新思路。

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第一章 绪论

1.1碳纳米管性能及应用

1.2碳纳米管纱线

1.3碳纳米管复合纱线的研究现状

1.4本课题研究内容与研究意义

第二章 碳纳米管/涤纶包缠纱的制备

2.1引言

2.2可调控制备包缠纱装置

2.3碳纳米管/涤纶包缠纱的制备

2.4本章小结

第三章 碳纳米管/涤纶单面包缠纱的性能分析

3.1引言

3.2样品制备与性能测试

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 碳纳米管/涤纶双面对称包缠纱的性能分析

4.1引言

4.2样品制备与性能测试

4.3测试结果与讨论

4.4本章小结

第五章 聚苯胺增强碳纳米管/涤纶包缠纱的制备与性能分析

5.1引言

5.2碳纳米管/聚苯胺复合纱的制备与性能测试分析

5.3聚苯胺增强碳纳米管/涤纶单面包缠纱的制备与性能分析

5.4聚苯胺增强碳纳米管/涤纶双面包缠纱的制备与性能分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 后续研究展望

参考文献

攻读学位期间研究成果

致谢