随着现代工业和农业技术的快速发展,对各种有机溶剂的需求量和使用量日益增大,导致大量的有毒有害的挥发性有机物（VOCs）被不适当地排放到空气中,这已经对环境的可持续发展和人类的身体健康、生命安全带来了严重威胁。为了能实时且有效的监测或去除这些挥发性有机物,开发出具备灵敏度高、选择性好、响应速度快、重复性好且方便携带的气敏材料及其传感器具有重要的现实意义。目前已经广泛使用的气敏传感器材料主要是无机非金属氧化物类和金属氧化物类,传统的气敏材料虽然具有响应速度快、灵敏度高等优点,但是其工作温度较高（通常在200oC以上）,且其脆性大、加工成型困难等,无法制备成柔性的便携式气敏传感器,从而大大限制了其实际应用。相比之下,填充型导电聚合物复合材料（CPCs）具有优异的物理化学性能,灵活的结构与性能可设计性,近年来在气体传感器领域已经受到了广泛关注。热塑性聚氨酯（TPU）是由二异氰酸酯和多元醇以及扩链剂反应得到的热塑性弹性体材料。TPU具有韧性高、耐磨以及加工成型性能优异等特点,已经在工业、医疗、航空航天等领域获得广泛的应用。尤其是它独特的柔性软段和刚性硬段的微相分离结构,使其在功能材料及智能材料领域具有重要的潜在应用价值。近年来填充型TPU基导电纳米复合材料的研发为拓展TPU的应用领域开辟了新的途径。多壁碳纳米管（MWCNTs）是准一维纳米碳材料,因其优异的导电性能,高的比表面积和丰富的介孔结构,不仅在填充高性能聚合物基纳米复合材料方面获得了广泛应用,在导电及在气敏传感器领域也有着突出贡献。近年来,填充型导电聚合物基复合气敏材料虽然得到了一定的发展,但是仍然存在恢复能力差、响应速度慢以及响应度和气体浓度之间的线性关系差等问题。本论文在全面考察了近年来对填充型导电聚合物复合气敏材料研究进展的基础上,选择TPU作为导电聚合物复合材料的聚合物基体,以MWCNTs和功能化改性MWCNTs作为导电填料,系统研究了复合材料的制备方法以及气敏响应性能。本文分为四个部分:第一部分,先分别采用熔融共混法和溶液共混法制备了TPU/MWCNTs导电纳米复合材料,考察了制备方法对复合材料导电性能的影响。分别选用长度为5μm的MWCNTs1#和长度为10-30μm的MWCNTs2#制备导电纳米复合材料,考察MWCNTs参数对复合材料导电性能和气敏响应性能的影响。通过导电性能测试,发现溶液共混法制备的导电纳米复合材料导电能力明显优于熔融共混法。当MWCNTs含量为4.76wt%时,溶液共混法制备的导电纳米复合材料电导率为10-4,比熔融共混法(电导率为10-12)高8个数量级。同时发现,MWCNTs的尺寸参数对以溶液复合法制备的导电纳米复合材料而言影响较小,纳米复合材料的导电逾渗值区域为4 wt%-6 wt%,且导电纳米复合材料的电导率变化行为符合Kirkpatrick-Zallen模型,故本文采用溶液复合法制备导电纳米复合材料。红外光谱（FTIR）测试结果表明,MWCNTs并未改变TPU的分子链上基团的振动模式。X-射线衍射（XRD）测试结果表明,填充MWCNTs增强了TPU的分子链的有序排列。通过热失重（TGA）测试发现,纯TPU的最大失重温度(Tmax=382.40oC),TPU/MWCNTs1#导电纳米复合材料的Tmax为407.30oC,TPU/MWCNTs2#导电纳米复合材料的Tmax为408.10oC,MWCNTs能够增强TPU导电纳米复合材料的热稳定性能,。观察导电复合材料的场发射扫描电子显微镜（FESEM）照片,发现MWCNTs能在TPU中形成了良好的导电网络。对苯蒸气的气敏响应性能测试发现,两种MWCNTs制备的导电复合材料对苯蒸气的响应度均在200-230%,但是TPU/MWCNTs2#导电纳米复合材料的恢复性为20.54,TPU/MWCNTs1#导电纳米复合材料的恢复性为952.63,故长度更长的MWCNTs2#制备的导电复合材料的气敏响应性能更加优异。逾渗区域内的导电纳米复合材料（MWCNTs含量为4.76 wt%）的气敏响应度在200%-230%,恢复性为20.54,高于逾渗区域（MWCNTs含量为6.98 wt%）的导电纳米复合材料对苯蒸气的响应度为1000%以上,恢复性却高达39.42,且随着测试次数的增加,其残存电阻越来越大。通过导电纳米复合材料气敏响应性能综合分析得出,TPU/MWCNTs2#导电纳米复合材料对苯蒸气响应综合性能更优异,响应度达到200%,且具备良好的重复测试稳定性。第二部分,根据第一部分的研究结果,选用了长度为10-30μm的MWCNTs作为导电填料,固定MWCNTs的含量为4.76 wt%,为了增强复合材料的气敏性能,先将MWCNTs进行酸化（纯化）处理,然后采用原位聚合法将聚吡咯（PPy）包覆在MWCNTs表面制备PPy改性MWCNTs（MWCNTs-g-PPy）导电填料,再采用溶液复合法制备TPU/MWCNTs-g-PPy导电纳米复合材料。对MWCNTs-g-PPy进行FTIR分析,发现在1715 cm-1出现了C=O伸缩振动峰,在1040和908 cm-1出现了PPy的C-H和N-H伸缩振动峰,表明PPy成功的包覆在MWCNTs表面。透射电镜（TEM）观察发现MWCNTs直径增加,证实了PPy成功的包覆在MWCNTs表面。拉曼光谱（Ram）测试结果表明,酸化处理能够有效的去除MWCNTs中的无定型碳,其D带和G带比值（ID/IG）从1.45降低到1.33。XRD和拉曼测试结果都表明,MWCNTs表面包覆PPy后,并未改变MWCNTs的晶型结构。气敏测试分析得出,导电纳米复合材料具备良好的气体选择性,对500ppm浓度的氨气的响应度为-84.23%,且气敏响应度和氨气浓度呈现高度的线性关系。导电纳米复合材料在氨气氛围中的响应重复稳定性高,经过6次重复测试,其残存电阻基本不变。环境湿度对导电纳米复合材料的气敏响应性能影响较小。考察环境温度对导电纳米复合材料气敏响应性能的影响发现,导电纳米复合材料在50oC时,展现了最高的气敏响应度,但是仅比室温下高了10%,说明导电纳米复合材料能够在室温下有效的测试氨气气体。第三部分,先将MWCNTs进行酸化处理制备MWCNTs-COOH,然后以Fe OOH为前驱体,通过水热法使Fe2O3在MWCNTs表面进行生长制备出MWCNTs-Fe2O3导电杂化填料,最后再与TPU基体进行溶液复合制备TPU/MWCNTs-Fe2O3导电纳米复合材料。FTIR测试结果表明,在472 cm-1和558 cm-1处出现Fe-O键的振动峰。XRD测试结果表明,MWCNTs-Fe2O3导电填料成功制备。拉曼光谱测试发现,Fe2O3的加入将MWCNTs的ID/IG值从1.45升高到1.76。导电纳米复合材料的体积电阻率为10~6,相较于纯TPU而言,降低了6个数量级。FESEM照片也明显看出MWCNTs-Fe2O3导电填料在TPU基体中形成了良好的导电网络。气敏测试发现,TPU/MWCNTs-Fe2O3导电纳米复合材料对乙醚响应性能更加优异。在500ppm浓度的乙醚氛围中,响应度为67.89%,恢复性为1.32,且气敏响应度和乙醚浓度的线性关系较好。经过6次的循环测试表明,导电纳米复合材料稳定性优异,残存电阻稳定。环境湿度对导电纳米复合材料的气敏响应性能影响较小,导电纳米复合材料在90oC时展现了最高的气敏响应度,为108.36%。第四部分,为了进一步增强导电纤维膜的气敏响应能力,通过静电纺丝法制备多孔结构的TPU纤维膜,并以此为基体采用溶液浸渍法使MWCNTs-Fe2O3导电填料吸附包裹于TPU多孔纤维的表面,制备出多孔结构的TPU/MWCNTs-Fe2O3导电纤维膜。FESEM照片展示了TPU纤维的直接在0.5-4.0μm,平均直径为2μm,MWCNTs-Fe2O3导电均匀的包裹在TPU纤维表面,未对TPU纤维膜内部孔隙造成堵塞。导电纤维膜的体积电阻率为10~5,相较于纯TPU,降低了7个数量级。气敏性能测试发现,导电纤维膜对500ppm浓度乙醚的响应度为85.71%,较致密结构的TPU/MWCNTs-Fe2O3导电纤维膜提高了20%,且导电纤维膜恢复性能优异。200s时间内,电阻值能恢复到初始电阻的1.01倍。导电纤维膜对乙醚的气敏响应度与乙醚的浓度呈现出高度的线性关系,且在500ppm浓度的乙醚氛围中进行了6次循环测试发现,导电纤维膜稳定性优异。环境湿度对导电纤维膜气敏响应性能影响较小。环境温度为80oC时,导电纤维膜的气敏响应度在200%以上。通过观察脱附气体后的导电纤维膜FESEM照片发现,TPU纤维表面的导电网络出现断裂现象,表明材料的气敏响应原理基于体积膨胀理论。