具有导电、发热功能的碳纳米管/聚氨酯复合膜及纤维的制备与性能研究

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近年来,聚氨酯(PU)材料的导电性能受到了广泛的关注。由于其优异的力学性能、弹性和回弹性能,导电聚氨酯在智能传感器、体温防护服、柔性电极、防辐射防静电服等领域具有广泛的应用前景。本文以聚氨酯为基体材料,多臂碳纳米管(MWCNTs)为导电成分,制备了具有良好导电、发热性能的复合膜与纤维。主要研究内容与结果如下:(1)将MWCNTs在PU溶液中分散,制备了MWCNTs/PU复合膜。通过SEM、红外光谱、TG、DMA、力学性能、流变性能等手段对复合膜进行表征。结果表明:在力学测试结果中,MWCNTs加入量为1%时,伸长率和断裂强度达到最大,分别提升了6.8%、30.7%。在红外光谱测试结果中,MWCNTs使得PU中的氢键化指数发生明显上升,从0.34上升到0.43;在流变测试结果中,当温度在20℃65℃之间,非牛顿指数从0.64升到0.79,结构粘度指数从8.2降到4.5,可通过提高温度提升可纺性。(2)通过导电测试、拉伸试验、应力松弛试验、循环拉伸试验等手段研究导电性能和力传感性能。结果表明:在电导率测试结果中,MWCNTs含量越高复合膜的导电性能越好,渗滤阈值为2.8%。样品具有一定的热敏感性,温度越高电导率越大,温度从50℃升到110℃,MWCNTs含量为3%和5%样品的电导率分别升高了2 S·m-1和26S·m-1。电加热现象明显,在30V电压下,MWCNTs含量为1%、3%、5%的复合膜温度分别提升了0.2℃、10℃、125℃。在拉伸试验中,伸长率越大电导率下降越大,最大下降了2.5 S·m-1;应力松弛实验中,电阻变化依赖于分子运动,电阻变化存在两个阶段,这与应力松弛过程类似。(3)通过模拟干法纺丝试验制备聚氨酯导电纤维,对其导电性能进行研究。结果表明:纤维电导率为2.5×10-2 S·m-1,比复合膜低3个数量级。纤维两端加上30V电压时,样品纤维温度上升1.5℃。样品纤维温度从25℃升到150℃时,电导率从2.5×10-2 S·m-1上升到3.0 S·m-1。纤维伸长率从0%到100%后,电导率从2.5×10-2 S·m-1下降到3.6×10-4 S·m-1
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