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【6h】

碳纳米管/纤维素基同轴纤维的制备及多功能应用研究

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第1 章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 柔性应变传感器传感层材料的研究进展

1.2.2 柔性应变传感器基底材料的研究进展

1.2.3 柔性应变传感器的制备方法

1.3 柔性应变传感器性能的指标

1.4 柔性应变传感器的应用

1.4.1 运动检测

1.4.2 健康监测

1.4.3 其他应用

1.5 本课题研究目的与内容

第2 章 湿纺CNTs/Cellulose 同轴导电纤维结构及力学性能研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验设备

2.2.3 湿纺CNTs/Cellulose同轴导电纤维的制备

2.2.4 测试与表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 碳纳米管@纤维素同轴纤维的制备

2.3.2 宏观形貌分析

2.3.3 力学性能及分析

2.4 本章小结

第3章 同轴纤维中碳纳米管-纤维素相互作用的分子动力学模拟

3.1 前言

3.2 同轴纤维模型的建立

3.3 控制条件和方法

3.3.1 力场的选择

3.3.2 分子动力学模拟系统的系综选择

3.3.3 软件以及边界条件的选择

3.4 同轴纤维碳纳米管增强力学性能的模拟结果及讨论

3.5 同轴纤维碳纳米管与纤维素相互作用的模拟结果及讨论

3.6 本章小结

第4 章 同轴纤维的电学性能及多功能应用

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 实验原料

4.2.2 实验设备

4.2.3 实验样品制备

4.2.4 测试与表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 同轴纤维的电学性能

4.3.2 同轴纤维的应变传感性能及机理解释

4.3.3 同轴纤维的电热性能

4.3.4 同轴纤维的温度传感性能

4.4 本章小结

第5 章 结论与展望

5.1 总结

5.2 展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

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摘要

随着社会的发展,具有微型化和智能化特征的电子器件已经发展起来,并在人们生活的许多方面得到应用。然而,基于金属和半导体材料的传统器件通常具有较低的灵敏度、韧性和应变范围,无法满足高应变场的要求。柔性材料由于其出色的性能,在各种电子器件中得到了广泛的应用,例如能够监测人体运动的柔性应变传感器,利用焦耳热原理产热的柔性电发热器等。近些年来人们对美好生活追求的提高,使得对柔性电子器件的要求也越来越高,具有可大规模生产、机械强度高、稳定性好、功能多样的适合可穿戴领域的柔性电子器件成为亟待突破的瓶颈,这个困难的克服取决于柔性基体材料的发展。自柔性电子器件发现以来,其基体的选材及制备方法已经得到了飞速发展,为柔性电子器件在人类社会的现实应用奠定了基础,但用于可穿戴器件的基体材料仍然是一个巨大的挑战。本文以碳纳米管(CNTs)和天然聚合物纤维素(Cellulose)为主要材料制备一系列同轴纤维,有望应用于可穿戴纺织品领域,主要研究工作如下:  (1)本文采用湿法纺丝工艺,并结合旋转驱动与凝固再生策略制得纤维素包覆取向碳纳米管的同轴纤维。以浓硫酸分散碳纳米管、四丁基氢氧化铵(TBAH)溶剂体系溶解纤维素,得到纺丝原液。将CNTs分散液和Cellulose溶液分别通过同轴针头的内外通道注入旋转凝固浴中,在旋转凝固浴中凝固得到具有皮芯结构的CNTs/Cellulose同轴纤维。旋转凝固浴引入的牵伸作用会使CNTs发生一定的取向,同时取向CNTs与纤维素间的氢键和范德华相互作用有助于提高纤维的力学性能。实验发现,当碳纳米管的浓度为1wt%、旋转凝固浴的转速为10rpm时同轴纤维的力学强度最高可达115.8MPa。  (2)通过分子动力学模拟方法(MD)模拟碳纳米管和纤维素间的相互作用,在原子层面上验证引入CNTs后纤维力学性能提高的潜在原因。通过模拟发现CNTs主要通过影响纤维素的结晶性、阻碍糖苷扭转角(θ)的弯曲、增加界面摩擦等方面对同轴纤维的力学性产生影响。  (3)通过分析同轴纤维的电学性能发现该同轴纤维具有最高871.55S/m的电导率,并且同轴纤维的电导率随温度的变化而发生变化,故该同轴纤维有作为电子器件的潜力。进一步地,利用所得导电同轴纤维优异的电学性能开发出多种功能应用,例如作为可穿戴的应变传感器,这些同轴纤维表现出优异的机械-电子性能,能够检测人体手指和膝盖关节的运动;作为电发热器表现出高效的焦耳加热性能,在10V的驱动电压下,6s内即可得到高于160℃的温度;作为温度检测器可以检测20?100℃的温度范围。  得益于碳纳米管材料优良的导电性和纤维素材料良好的加工性能,本文所得的同轴纤维不仅具有稳定的力学、电学性能,而且所得同轴纤维“一步成型”无需再次封装的简单工艺流程使其具有大批量工业化生产的潜力。同时利用纤维素材料制备纺织品也已有较为悠久的历史和成熟的工艺,借助成熟的纤维素纺织品加工工艺使得该同轴纤维在智能纺织材料领域表现出巨大的潜力,有望为新一代智能纺织品的开发和应用提供一条可行的途径。

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