【摘 要】
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随着智能化时代的到来,研究者们对于智能制造的应用领域逐渐拓展到医疗健康、人机交互等前沿领域。高性能柔性传感器作为智能系统的感知元件,是智能可穿戴产品中不可或缺的环节。基于纤维的服装已经被人类使用了数千年,因为它们超高的贴合性、可被赋予丰富的物理化学性能,是制备柔性传感器的理想基底材料。本课题自制了碳纳米管油墨,在此基础上讨论了两种碳基导电复合纱线的制备方法并研究其结构和相关性能包括力学性能、导电性
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随着智能化时代的到来,研究者们对于智能制造的应用领域逐渐拓展到医疗健康、人机交互等前沿领域。高性能柔性传感器作为智能系统的感知元件,是智能可穿戴产品中不可或缺的环节。基于纤维的服装已经被人类使用了数千年,因为它们超高的贴合性、可被赋予丰富的物理化学性能,是制备柔性传感器的理想基底材料。本课题自制了碳纳米管油墨,在此基础上讨论了两种碳基导电复合纱线的制备方法并研究其结构和相关性能包括力学性能、导电性能、应变传感性能、耐久性能、稳定性能、电驱动热致变色性能和可穿戴应用等,具体研究内容如下:论文的第一部分是对碳纳米管进行酸化改性,成功在多壁碳纳米管表面引入了羧基和羟基等亲水性基团,制备了性能稳定的多壁碳纳米管分散液;并将水性聚氨酯与酸化碳纳米管混合制备碳纳米管油墨。探究酸化过程中水洗次数对碳纳米管结构的影响,水性聚氨酯加入量对碳纳米管油墨结构和导电性能影响,在导电性的验证过程中确定了碳纳米管/聚氨酯复合导电纱线制备过程中的预处理条件和工艺参数,得到了水性导电油墨的配方。论文第二部分是通过摩擦纺纱机将导电碳纳米管/羊毛毛条包覆在聚氨酯纱线表面,制备碳纳米管/羊毛/聚氨酯复合包芯纱线(CWPY)。受益于羊毛良好的性能,能与碳纳米管较好的结合且使复合纱线具有高导电性(1.80Ω·cm)、透气性和丰富的手感,采用摩擦纺纺纱技术并以聚氨酯纱线作为芯纱,开发多场景可穿戴应变传感器来模拟复杂的人体机械刺激,并探究柔性导电复合纱的应变传感机制。复合纱线表现出优异的耐用性(>1000次循环)和宽应变范围(0-180%应变),为下一代个人医疗保健可穿戴智能纺织品提供参考。论文的第三部分通过浸渍法和静电纺丝法来构建皮芯分级层次结构的电驱动热致变色碳纳米管/聚氨酯复合纱线(ECPY),从而得到色彩丰富的电驱动热致变色复合纱线。结果表明,在复合纱线两端施加较低电压即可迅速升温到66°C,从而实现电驱动热致变色,色谱可以通过更换变色油墨的种类来实现,变色纺织品的不同图案可以通过织造来获得。此外复合纱线具有出色的导电性、高灵敏度、超宽应变范围(0-310%应变)和出色的耐用性(>2000次循环)。这项工作有助于开发兼具应变传感和变色性能的多功能应变传感纱线和用于健康和人体运动监测的可穿戴电子应用。
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