聚乙烯亚胺浸渍碳纳米管膜条加捻纱及其抽伸挤压改性效果评价

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碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)纱线兼具良好的电学、力学、热学等优异性能,同时具备良好的柔韧性,可应用于智能可穿戴纺织品。但是,目前工艺生产的CNT纱线直径非常小,仅能达到几十微米,且CNT之间仅依靠范德华力连接。此外,CNT纱线结构疏松,导致碳纳米管纱线的实际性能远低于理论值。因此,本课题利用聚乙烯亚胺(Polyethyleneimine,PEI)增强CNT之间的相互作用,利用抽伸挤压改性使CNT纱线结构致密化,得到一种高强度且高电导率的CNT膜条加捻纱,并对其力学、电学和电热性能进行了研究。首先,采用膜条加捻成纱工艺,通过将CNT膜条加捻制备了一种大尺寸的CNT纱线,并利用PEI浸渍复合的方法对CNT纱线的性能进行改性,同时研究了PEI溶液的浓度分别为1%,2%,3%,4%,5%时对CNT纱线的性能影响。测试了CNT/PEI膜条加捻纱的力学性能,电学性能和应变传感性能。结果表明:PEI提高CNT纱线的力学性能的同时电学性能也提高。其中,浓度为3%的PEI溶液浸润对CNT纱线的改性效果最好。CNT/PEI膜条加捻纱的强度可达230.13±21.18 MPa,模量为1.16 GPa,分别比CNT原纱提高71.1%和222%,电阻比原纱减小了30%,电导率可达703.31±33.95 S/cm,提高了80%。此外,PEI可以提高CNT纱线的传感性能。CNT/PEI膜条加捻纱表现出比CNT原纱更优异的传感性能,1%-5%浓度的PEI复合使CNT纱线的传感系数提高约2-4倍。虽然PEI增强了CNT之间的相互连接,但是CNT纱线的疏松结构并没有得到有效的改善,导致PEI对CNT纱线的强度和导电率的增强作用有限。为了进一步提高CNT膜条加捻纱的力学和电学性能,在PEI改性的基础上,结合抽伸挤压改性,使得CNT之间的相互连接增强的同时改善CNT纱线的疏松结构。研究结果表明:用直径依次减小(230μm、210μm、180μm、150μm)的四个压缩模具进行抽伸挤压改性后,1%-5%的PEI复合的CNT/PEI膜条加捻纱的直径减小,压缩前后直径比在1.60-1.63之间,压缩后纱线密度增加2倍以上,纱线结构变得致密化。抽伸挤压改性使CNT/PEI膜条加捻纱的力学性能和电学性能均得到大幅度提高。与CNT原纱相比,浸润1%-5%PEI的CNT/PEI膜条加捻纱压缩后的强度分别提高了283%,331%,783%,447%,422%,电导率分别提高了186%,219.1%,371%,273%,218.6%。且抽伸挤压改性的CNT/PEI膜条加捻纱仍然表现出比原纱更好的传感性能。在PEI分子增强CNT之间的相互作用和抽伸挤压使纱线结构致密化的共同作用下,抽伸挤压改性的CNT/PEI膜条加捻纱的最大强度达到1187.47±45.85 MPa,最高电导率达到1840.04±28.74 S/cm,得到了一种兼具高强度和高导电的CNT纱线。基于制备的浓度为3%的PEI复合的抽伸挤压改性的CNT/PEI膜条加捻纱的高强度高导电性以及电热织物的应用前景,对其电热性能进行了研究。结果显示:CNT/PEI膜条加捻纱通电后表面温度迅速上升,表现出具有良好的电热性能,可以实现电能到热能的高效转换,且拥有比CNT原纱更强的加热能力。在0.5V,1V,1.5V,2V电压下,CNT/PEI膜条加捻纱能分别加热升温至45.5℃,90℃,162℃,254.1℃,且在反复通电断电的循环加热过程中表现出良好的电热稳定性。当在不同伸长率下(2%,3%)多次循环反复拉伸后,CNT/PEI膜条加捻纱仍然表现出较好的耐疲劳性及电热稳定性。此外,CNT/PEI膜条加捻纱在3%伸长率,1 V电压下经多次循环拉伸的动态过程中,其温度波动范围不超过8度,证明其可满足运动状态下的电加热行为。
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