生物大分子分散碳纳米管及其多功能应变传感织物

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随着纺织科技的日益进步,纤维纺织品已不仅限于原有的保温、美化和舒适功能,正向智能化方向发展。智能纺织品在保留纺织材料、纺织品风格和技术特征的同时,可以对外界条件做出感应与反应,其融合了纺织、电子、化学、生物、医学等多门学科。与传统的金属、半导体应变传感器相比,柔性应变传感器克服了其脆性、无延展性、灵敏度低等缺点,在柔性电子、仿真机器人、智能可穿戴等领域拥有极大的潜力。目前,低成本、易加工、绿色环保已成为柔性应变传感器设计开发和实际应用的重要因素。由于碳纳米管(Carbon nanotubes,CNT)具有良好的导电性、强度、稳定性以及轻质等特点,是一种极具潜力的柔性应变传感器导电材料。但是,CNT易团聚、难加工、生物相容性低等问题极大的限制了应用。本论文采用生物大分子丝胶蛋白(Sericin,SS)、天然染料五倍子(Gallnut,Ga)和羧甲基纤维素(Carboxymethylcellulose,CMC)对CNT进行非共价键修饰。分别利用丝胶蛋白的黏附性浸渍处理锦氨纶弹性织物,五倍子的可染性上染棉织物和羧甲基纤维素浸渍锦氨纶弹性织物,制备了高灵敏性、宽应变范围、循环稳定的应变传感智能织物,用于人体运动信号的检测。由于CNT的多功能性,还同时实现了电热、电磁屏蔽等多种功能。具体结果如下:(1)在小分子表面活性剂十二烷基苯磺酸(SDBS)辅助下,超声分散制备了分散均匀、稳定的丝胶蛋白分散CNT水溶液,再进一步利用丝胶蛋白的黏附性,浸渍处理锦氨纶弹性织物。制备的复合织物,不仅保留了原有织物的透气性和柔韧性,而且具有优异的应变传感性、电热性和电磁屏蔽性能,可用于人体运动信号的检测。探究了丝胶蛋白分散CNT的分散机理和稳定机制、基于丝胶蛋白分散CNT的复合弹性织物的应变传感和循环稳定机理、结构-功能一体化协同规律,为多功能应变传感智能纺织品提供新的设计思路。(2)用天然染料五倍子共价键修饰CNT,形成分散均匀、稳定的五倍子分散CNT水溶液,通过传统的天然染料上染棉织物工艺,在媒染剂的作用下,上染棉织物,由于棉织物的短纤维结构特点,制备了一种负电阻变化的应变传感织物,可编织或缝制在服装上或直接附着在人体皮肤上使用,用于检测人体的运动信号。探究了五倍子分散CNT的分散机理和稳定机制、基于五倍子分散CNT的复合棉织物的应变传感和循环稳定机理,为多功能应变传感智能纺织品提供新的设计机理。(3)利用羧甲基纤维素对CNT进行非共价键修饰,制备了分散均匀的羧甲基纤维分散碳纳米管(CMC@CNT)水溶液,分析其分散原理并制备柔性多功能应变传感织物。其具有良好的摩擦和水洗性,同时具备优异的应变传感性能、电热性和电磁屏蔽性能,可用于人体运动信号的检测。将CMC与CNT结合可能会产生优异的应变传感材料,这为制造柔性应变传感织物提供了一种有前景的策略。
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