碳纳米管/水性聚氨酯涂层导电纱线的制备及其性能和应用研究
碳纳米管由于其卓越的导电导热性能及力学性能在导电纱线的制备及其应用中得到越来越多科研人员的关注，基于碳纳米管涂层制备的导电纱线，可以在纱线材料上集成碳纳米管，并可以将其制备为不同结构层次的电气功能智能纺织品应用。 通过涂层方法制备的导电纱线，尽管制备简单、生产成本低，通过对纱线结构的选择和优化可以在减少导电材料的使用的前提下实现纱线导电性能的显著提升，同时可以缩减纱线的制备成本并使纱线的服用性能得到保障甚至提升，但由于CNT的集聚性、棉纱结构蓬松但力学性能差、化纤强度高但结构紧密，且与碳纳米管界面结合性差等原因，CNT涂层导电纱线很难同时具有良好的机械性能与导电性能。 为了解决这些问题，本课题选取碳纳米管作为导电材料，以环保型水性聚氨酯作为粘合剂，制备碳纳米管/水性聚氨酯（CNTs/WPU）复合导电油墨，以蓬松多孔的涤纶假捻低弹丝（DTY）为纱线基体，使纱线形成内/外涂层的隔离结构，并采用浸渍－拉伸热定型的制备工艺改善涂层导电纱线的性能，制备了高导电率的碳纳米管/水性聚氨酯涂层导电纱线。然后对其表面形态和内部结构以及导电率、力学、传感、电学稳定性、电热等性能进行了研究，并将其应用于智能纺织品领域，验证了其在智能纺织品领域的应用潜力。 首先，制备了不同体系PU（聚氨酯）-CNTs/WPU复合导电油墨，对其表面形态、粘度、导电率等性能进行分析，同时对DTY的基本参数进行分析，并使用不同体系PU-CNTs/WPU单次涂层DTY，分析其导电率与纱线结构，确定CNTs/WPU制备体系。结果表明，导电油墨的表观粘度随PU的增加而增加，但PU含量越多，油墨导电率下降。2%wtPU-CNTs/WPU复合导电油墨具备最为合适的粘度与导电性能，可以完全渗入孔隙中并黏结于纱线上，将孔隙填满，获得较高导电率。 其次，使用2%wtPU-CNTs/WPU，通过“浸渍-烘干”、“浸渍-加捻烘干”、“浸渍-拉伸热定型”工艺多次浸涂DTY，制备出不同结构的CNTs/WPU涂层导电纱线：CNTs/WPU-DTY(CWY)、Twisting-CNTs/WPU-DTY(TCWY)、Stretching-CNTs/WPU-DTY(SCWY)，并对其表面形态、内部结构以及导电性能进行表征分析。结果显示，纱线均形成了内/外涂层的隔离结构，相比文献中其他碳纳米管涂层导电纱线，获得了更高的碳纳米管负载量和导电率，SCWY通过拉伸使纱线内部单丝伸直，形成更良好的导电通路，导电率最高。 再次，采用单纤强力拉伸仪、数字万用表对CNTs/WPU涂层导电纱线的力学、传感以及循环拉伸、弯曲过程下的电学性能变化进行了表征与分析。结果显示，加捻和拉伸使纱线获得更紧密的结构，TCWY、SCWY相较于CWY断裂强度、断裂伸长均有较大提升，SCWY内部单丝完全伸直，受到拉伸时不易变形，获得了更高的传感灵敏度和传感系数。此外，SCWY在循环变形作用下内外涂层受力一致，不存在应力集中，同时PU固化时的收缩作用使碳纳米管丝束之间相互作用更强，获得了优异的电学稳定性。 最后，使用远红外热像仪对SCWY在不同外加电压下的电热性能变电压及同电压循环下的电热稳定性进行了研究，并探究了其在智能穿戴领域的应用。结果显示，SCWY的温度可以通过电压精确调控，温度响应迅速，较同类型文献中具备较高的电热转换效率和响应速度。且分别在不同电压下大量循环表现出优异的电热循环稳定性。此外，SCWY可通过缝纫、嵌入、机织等方式制备成导电织物，其所制备成的“导电织物”发热均匀稳定；将“导电织物”黏结于手部模型上模拟其在实际应用中的情况，依旧发热均匀，弯曲、缠绕等状态下发热情况均不会发生改变。表明了其在未来柔性电子可穿戴装置和智能纺织品行业的开发中,有着更广阔的应用前景。
碳纳米管;水性聚氨酯;导电性能;力学性能;电热性能
东华大学
硕士
纺织材料与纺织品设计
许福军
2023
中文
TS106.4
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）