【摘要】：導電高分子復合材料(CPCs)的結構及性能調控是高分子材料領域的研究熱點之一,近來得到研究者的廣泛關注。CPCs廣泛應用于電阻式應變傳感器,在電子皮膚、人體運動監(jiān)控和材料破壞行為監(jiān)測等領域應用前景廣闊。本文基于CPCs的結構性能調控及應變敏感行為研究,提出了含預制導電功能化靜電紡絲纖維網(wǎng)絡的CPCs基應變傳感器的制備方法,研究了該材料的形態(tài)結構特征及拉伸敏感行為,主要成果如下:1、含碳納米管(CNTs)修飾靜電紡絲纖維網(wǎng)絡的CPCsCNTs具有優(yōu)異的電學和機械性能,是制備CPCs的重要填料。然而,傳統(tǒng)熔融或溶液共混法很難制備出兼具良好電學、機械及應變敏感性能的CNTs填充型CPCs。導致該現(xiàn)象的機制主要是因為CNTs填充型CPCs用作應變傳感器時,為了獲得重復性優(yōu)異的響應信號,體系所需CNTs含量通常較高,而在高含量下,CNTs極易團聚并最終導致機械性能的損失。因此,如何制備出綜合性能優(yōu)異的CPCs基應變傳感器仍是該領域的一個挑戰(zhàn)。本文提出了一種新穎的CNTs填充型CPCs的制備方法,具體是指采用高分子溶液澆筑法將預制的CNTs修飾的尼龍6(PA6)電紡纖維膜嵌入到聚乙烯醇(PVA)基體內,通過該方法容易獲得電學、機械及應變敏感性能均優(yōu)的CPCs基應變傳感器。我們通過超聲法將CNTs修飾在PA6電紡纖維表面,預先構筑具有導電功能的電紡纖維網(wǎng)絡,并研究了CNTs-PA6導電纖維膜的電學、力學和拉伸敏感性能,CNTs在PA6纖維表面的特殊分布狀態(tài),除有效提高復合材料的電導率外,還能改善了PA6纖維及PVA基體間的界面結合,從而為基體材料拉伸性能的提高提供了可能。增加CNTs-PA6纖維膜層數(shù)能夠進一步改善復合材料的電性能,相應結果為CNTs-PA6/PVA復合材料的拉伸敏感性能調控提供了實驗依據(jù)。但會對材料力學性能產(chǎn)生不利影響,最終我們擇優(yōu)選擇含兩層CNTs-PA6纖維膜的復合材料(CNTs-PA62/PVA)作為研究對象。該復合材料的單軸拉伸響應曲線呈階段式變化,每階段分別對應不同的結構破壞模型,我們對相應模型進行了詳細分析。循環(huán)拉伸測試結果表明,CNTs-PA62/PVA復合材料在不同的變形水平下表現(xiàn)出易區(qū)分的響應行為,如循環(huán)最大響應度(Rmax/R0)偏移程度及肩峰峰強之間存在較大差異,這些可以作為自診斷指標分析該復合材料內部結構破壞程度。此外,多次拉伸/回復循環(huán)和預拉伸處理能顯著改善復合材料拉伸響應行為的可重復性。2、含炭黑(CB)修飾靜電紡絲纖維網(wǎng)絡的CPCsCB具有較低的維度(零維),其構建的導電網(wǎng)絡對外場刺激往往具有靈敏的響應行為,因此,我們利用CB代替CNTs,采用相同的制備工藝制得含一層纖維膜的CB-PA6/PVA復合材料,詳細研究了該復合材料的拉伸響應行為。研究結果表明CB-PA6/PVA復合材料具有穩(wěn)定的響應信號和良好的可重復性及耐久性,適宜作為應變傳感器使用。我們還發(fā)現(xiàn)CB和CNTs結構的不同會導致導電網(wǎng)絡構筑方式的不同,從而使相應復合材料體系的拉伸敏感行為之間存在較大差異。本研究對制備綜合性能優(yōu)異的應變傳感器具有重要的指導作用。
[Abstract]:The structure and performance regulation of conductive polymer composites (CPCs) is one of the hot topics in the field of polymer materials. Recently, the widespread concern of the researchers is that.CPCs is widely used in the resistance strain sensor, and is widely used in the fields of electronic skin, human motion monitoring and material destruction monitoring. This paper is based on the structure of CPCs. The preparation method of CPCs based strain sensor containing prefabricated conductive functionalized electrostatic spinning fiber network is proposed. The morphological structure characteristics and tensile sensitivity of the material are studied. The main results are as follows: 1, the CPCsCNTs with carbon nanotube (CNTs) modified electrospun fiber network is excellent. Electrical and mechanical properties are important fillers for the preparation of CPCs. However, it is difficult to produce CNTs filled CPCs. with good electrical, mechanical and strain sensitivity by traditional melting or solution blending. The mechanism of this phenomenon is mainly because the CNTs filled CPCs is used as a strain sensor, in order to obtain an excellent response signal with excellent repeatability. The required CNTs content is usually high, and at high content, CNTs is very easy to reunite and eventually lead to the loss of mechanical properties. Therefore, how to prepare a CPCs based strain sensor with excellent comprehensive properties is still a challenge in this field. A novel method of preparing CNTs filled CPCs is proposed in this paper, which refers to the use of polymer solution. The prefabricated CNTs modified nylon 6 (PA6) electrospun fiber membrane was embedded in the matrix of polyvinyl alcohol (PVA). By this method, the CPCs based strain sensor with excellent electrical, mechanical and strain sensitive properties was easily obtained. We modified CNTs on the surface of PA6 electrospun fiber by ultrasonic method, and prefabricated the electrical fiber network with conductive function in advance. The electrical, mechanical and tensile properties of the CNTs-PA6 conductive fiber film are also studied. The special distribution of CNTs on the surface of PA6 fiber can improve the interfacial bonding between the PA6 fiber and the PVA matrix, in addition to effectively improving the conductivity of the composite, thus providing the possibility of increasing the tensile energy of the matrix material. The increase of the CNTs-PA6 fiber film layer is added. The number can further improve the electrical properties of the composites, and the corresponding results provide the experimental basis for the control of the tensile sensitivity of CNTs-PA6/PVA composites. However, it will have an adverse effect on the mechanical properties of the materials. Finally, we choose the optimum selection of the composite material containing two layers of CNTs-PA6 fiber membrane (CNTs-PA62/PVA) as the research object. The response curves of the uniaxial tension are phased, and each stage corresponds to the different structural failure models. The corresponding model is analyzed in detail. The cyclic tensile test results show that the CNTs-PA62/PVA composite exhibits a distinct response behavior at different deformation levels, such as the maximum cyclic response degree (Rmax/R0) offset. There is a large difference between the degree and the peak intensity of the acromion, which can be used as a self diagnostic index to analyze the internal structural damage of the composite. Furthermore, the repeatability of the tensile response behavior of the composites can be significantly improved by the multiple tensile / recovery cycle and pretension treatment, and the CPCsCB of the carbon black (CB) modified electrospun fiber network has a lower CPCsCB. In the dimension (Ling Wei), the conductive network it constructs often has a sensitive response to the external field stimulation. Therefore, we use the CB instead of CNTs to produce a CB-PA6/PVA composite containing a layer of fiber membrane by the same preparation process. The tensile response behavior of the composite is studied in detail. The results show that the CB-PA6/PVA composite has a good response. Stable response signals and good repeatability and durability are suitable for use as strain sensors. We also found that the difference in the structure of CB and CNTs leads to the difference in the construction mode of the conductive network, which makes the tensile sensitivity of the corresponding composite system greatly different. Sensors have an important guiding role.
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB332;TQ340.64

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本文編號：2162535