论文部分内容阅读
柔性应变传感器具有柔韧、可折叠、质量轻、集成度高等优点,在健康监测、可穿戴电子设备、电子皮肤等领域具有广阔的发展前景。柔性应变传感器的核心部件由导电敏感膜和柔弾性基底组成,柔性应变传感器具有两个重要的性能参数,分别是宽应变感应范围和高应变灵敏度。宽应变范围需要柔性传感器在大应变下维持稳定的导电网络,而高灵敏度需要柔性传感器的导电通路在小应变下发生大变化,两者互为矛盾。为解决这一矛盾,本文在聚氨酯(PU)纳米纤维膜中引入碳纳米管(CNT)和炭黑(CB),CNT具有一维细长管状形态,在牵伸过程中可以保留大量的接触位点,保证导电网络的稳定性;CB粒子之间以点对点的形式接触,在较小应变下,由CB构成的导电通路可被急剧破坏。综上所述,本论文利用预聚法合成聚氨酯(PU),在预聚过程中加入CNT,在扩链过程中加入CB,结合静电纺丝技术制备导电纳米纤维膜。通过调控PU的微观结构来改善导电PU纳米纤维膜的力学性能,CNT和CB的协同作用使PU导电纳米纤维膜同时获得宽应变范围和高灵敏度。首先,本论文以聚丙二醇2000(PPG 2000),4,4二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI-50)为原料,无水乙二胺(EDA)为扩链剂,通过预聚法合成聚氨酯。在PPG 2000质量不变的前提下,改变MDI-50和EDA的用量,制备硬段含量分别为20%,25%,30%,35%,40%,45%的6种PU纺丝液,随后通过静电纺丝技术制备硬段含量不同的6种PU纳米纤维膜。测试分析6种纳米纤维膜的微观形貌、化学结构、热学性能、结晶情况以及力学性能。结果表明,本文成功合成了聚氨酯,MDI-50和EDA含量的增加有利于硬链段有序、规整排列;当硬段含量为30%时,PU纳米纤维的直径为160.2nm,聚氨酯具有最佳的微相分离结构,最低的玻璃化转变温度(-51.47℃),硬相区形成了更加规整的结晶区,结晶衍射峰的强度最高,PU纳米纤维膜的断裂强度为4.16MPa,断裂伸长率为290.6%,弹性回复率最高(98.3%)。其次,利用超声分散法将CNT均匀分散在PPG 2000中,利用混有CNT的PPG2000做预聚反应,合成碳纳米管/聚氨酯(CNT/PU),将CNT限制在PU软相区;将CB与扩链剂EDA均匀混合,在扩链的同时将CB限制在聚氨酯硬相区中,制备炭黑/聚氨酯(CB/PU)。随后利用静电纺丝技术,制备了CNT/PU、CB/PU两种导电纳米纤维膜。测试分析了两种导电纳米纤维膜的微观形貌、化学结构、热学性能、结晶情况、力学性能、电性能以及应变传感性能。结果表明,CNT/PU纳米纤维的平均直径约为226.1nm,CB/PU纳米纤维的平均直径约为171.6nm;在聚氨酯合成的不同阶段加入导电填料,确实使CNT、CB选择性的分散在聚氨酯的软、硬相区中,CNT、CB的引入对聚氨酯的微相分离结构分别起增大/减小作用;CNT的存在阻碍了聚氨酯软链段大分子的移动,导致CNT/PU纳米纤维膜的玻璃化转变温度增加到-46.23℃;CB与聚氨酯硬相区存在优先相互作用,诱导硬链段结晶,增加了聚氨酯纳米纤维膜的断裂强度(6.66MPa),但几乎不影响PU纤维膜的断裂伸长率(270.5%)。引入导电填料后,聚氨酯纳米纤维膜完成了由绝缘体向导体的转变,CNT的引入提高了导电纳米纤维膜的传感范围(200%),CB的引入显著增加了导电纳米纤维膜的灵敏度(182.9)。最后,利用上述方法在聚氨酯的预聚过程中加入CNT,扩链过程中加入CB,结合静电纺丝技术制备CNT/CB/PU导电纳米纤维膜,研究复合导电纳米纤维膜的导电性能和应变传感性能。研究发现CNT和CB的协同作用可以大幅度降低聚氨酯纳米纤维膜的电阻率,CNT/CB/PU导电纳米纤维膜既有宽应变感应范围(200%),也有高应变灵敏度(256.51);CNT/CB/PU导电纳米纤维膜在不同应变以及不同频率下均具有良好的传感重复性、可以承受2000次左右的循环载荷,具有优异的循环稳定性,可以监测人体不同幅度的运动。