一种含碳纳米管的导电纤维

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对纺织行业来讲,开发出具有抗静电、导电特性的织物是十分必要的。从目前国内外应用经验来看,碳素材料添加型有机导电纤维仍然具有十分广阔的应用前景。由于具有独特的结构和优异的性能,碳纳米管在光电子器件、纳米电路、增强及功能复合材料等方面具有极其重要的应用研究价值。本论文利用碳纳米管(CNT)的一维结构和良好的电学性能,通过二次共混分散方法制备了聚丙烯(PP)/碳纳米管(CNT)复合材料,采用常规熔融纺丝方法制备了PP/CNT复合导电纤维,并对复合材料及纤维的结构和性能进行了表征和测试。通过研究得出了以下主要结论:经过混酸纯化的碳纳米管与聚丙烯基体通过密炼和单螺杆二次共混,得到不同碳纳米管含量的PP/CNT复合材料。对复合材料的电学性能研究表明体系电学性能符合渗流理论中关于渗流阀值的描述。通过对导电机理的分析,我们发现相对以导电碳黑作为填充粒子的导电复合材料,碳纳米管由于其独特的一维结构,只需非常低的浓度(1wt%)便可以获得连续网络,从而显著提高材料的导电性。这对于我们选择导电性混合料的最优化结构方法有重要的理论和实际意义。SEM观察表明,碳纳米管在PP基体内部相互贯穿、缠结,形成网络结构。碳纳米管的加入影响了复合材料的热稳定性,复合材料的分解温度随着碳纳米管含量的增加而增加。通过对复合材料的结晶结构和非等温结晶动力学研究分析表明复合体系中,碳纳米管(CNT)的加入能够显著提高PP的结晶速率,有明显加速结晶作用。同时碳纳米管在PP结晶过程中起到了异相成核作用,导致PP的结晶成核和生长发生了改变。采用常规熔融纺丝的方法制备了PP/CNT复合纤维,在此基础上,研究了复合纤维的结构和性能。通过SEM观察发现经过纺丝之后,碳纳米管不再成单分散状态,而是以聚集体组织形式均匀分布。同时碳纳米管露出纤维表层,这有利于碳纳米管与静电荷直接接触,通过形成的导电通道进行导电。PP/CNT复合纤维的电阻率随碳纳米管含量的增加而大幅下降,碳纳米管添加量的阀值在1wt%左右。两维X-Ray衍射和声速法测试表明:在高剪切作用下,碳纳米管在基体中发生部分取向。对PP/CNT复合纤维的静态力学性能测试发现其断裂强度和断裂伸长随着碳纳米管含量的增加而减小。相同碳纳米管添加量的复合材料纤维,随着牵伸倍数的增加,断裂强度和初始模量迅速增大,断裂伸长明显减小。用DMA研究了复合纤维的动态力学性能,在测试温度范围内储能模量和损耗模量随碳纳米管的增加而相应提高,且玻璃化温度有所上升。
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