CNTs/PEDOT:PSS温差发电复合纺织材料的制备与性能研究

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温差发电材料是一类能够利用环境温度差获得电能的功能材料。将温差发电材料与纺织材料结合在一起,制成温差发电复合纺织材料,可以利用人体与周围环境间的温度差,实现电能的持续收集。聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:SS),被认为是最具有发展潜力的高分子温差发电材料之一。前期研究表明,在PEDOT:PSS中加入纳米碳材料可以提高热电性能。碳纳米管(CNTs)是一种具有独特结构的一维碳材料,有较大的比表面积和很高的长程电导率,而且CNTs可以在PEDOT:PSS中均匀分散。将两者与织物结合成为温差发电复合纺织材料,有望成为柔性可穿戴式能源装置的关键材料。本文采用PEDOT:PSS将CNTs均匀分散到织物上,制成温差发电复合纺织材料。通过改变PEDOT:PSS、CNTs含量;织物的纤维原料;织物的结构,研究了对制成复合纺织材料的热电性能、服用性能的影响。采用XRD、FE-SEM表征了材料的结晶情况和表面形貌,并测试了材料的电导率、Seebeck系数和热导率,并计算出ZT优值,研究了复合纺织材料热电性能的影响,并研究了对织物的透湿性、折皱回复性、硬挺度、拉伸性能等服用性能的影响。主要的研究结果如下:(1)当CNTs含量一定时,随着PEDOT:PSS含量的增加,热电性能先增加后稍微下降。透湿量有少量的增加,但是相对于原织物的透湿量下降了 5.71%;折皱回复性变好;织物的硬挺度增加14.71%,挺括性增强;断裂强力有稍微的下降,下降了 12.31%,但是对服用性能影响不大。当PEDOT:PSS含量一定时,随着CNTs含量的增加,热电性能成上升趋势。透湿性下降,透湿量最大下降了 22.54%;经向急弹性和缓弹性回复角分别增加了 22.88%和37.93%,折皱回复性增强;织物的硬挺度增加了 14.38%,挺括性增强;拉伸性能随着CNTs含量的增加而增加,但是相较于原织物在拉伸性能下降了,最下降了 2.57%。当CNTs为0.4%,PEDOT:PSS含量为10%,ZT值最大,热电性能最好。织物服用性能增强或者有稍微下降。(2)采用不同纤维原料的织物为基材制备CNTs/PEDOT:PSS温差发电复合纺织材料,电导率:棉织物>涤棉织物>涤纶织物。三种织物的Seebeck系数差别不大。热导率:棉织物>涤棉织物>涤纶织物,但是其变化幅度小于电导率,结果是ZT值的增加,即热电性能增加。对比以不同纤维原料为基材的热电性能:纯棉织物>涤棉织物>涤纶织物。在PEDOT:PSS含量为10%,CNTs含量为0.4%时,以棉纤维、涤棉纤维、涤纶纤维为基材的复合纺织材料透湿量分别下降了 22.54%、18.95%、12.36%;经向急弹性折皱回复角分别增加了 22.88%、18.94%、13.17%;缓弹性折皱回复角分别增加了 17.82%、17.40%、12.08%;抗弯长度分别增加了 14%、12%、9%;断裂强度分别下降了 2.56%、2.36%、0.40%。在三种织物的透湿量下降,折皱回复性和硬挺度增加,断裂强力有少量下降,变化程度:棉织物>涤棉织物>涤纶织物。制备的CNTs/PEDOT:PSS温差发电纺织材料对纺织材料服用性能影响不大。所以棉织物为基材的温差发电复合纺织材料具有较好的性能。(3)采用不同结构的织物为基材制备CNTs/PEDOT:PSS温差发电复合纺织材料,不同结构的织物的电导率、Seebeck系数和热导率:非织造织物>机织物,ZT值:非织造织物>机织物,所以非织造织物为基材的热电性能较好。当PEDOT:PSS含量为10%,CNTs含量为0.4%时,复合纺织材料的透湿量下降了 11.89%;织物的折皱回复性增加,急弹性和缓弹性折皱回复性分别增加了 37.75%和42%;硬挺度增加了 83.58%;断裂强力增加了27.13%。透湿量减小程度:机织物>非织造织物。折皱回复性和硬挺度增加程度:非织造织物>机织物。非织造织物断裂强度增加,机织物的断裂强度下降。以非织造织物为基材的热电性能较好。
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