基于碳纳米管膜卷纱的电热及传感功能纺织品的应用开发

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智能纺织品是指在受到环境刺激后,具有感应、驱动、释能、储能、转换信号等功能的纺织品,而碳纳米管材料(CNTs)作为新一代智能材料,具有优异的力学、电学、传感、热学等性能,它的应用推动了智能纺织品的发展。目前制备的碳纳米管纱线存在断裂强力低、耐磨性差、潜在危害等问题,这限制了它在纺织中的应用。因此,本课题利用碳纳米管膜加捻工艺,采用聚乙烯醇(PVA)溶液涂层处理,制备出高强、耐磨、柔软的碳纳米管膜卷复合纱,实现纱线的可织造性。并结合材料优异的热学、传感性能,将其嵌入到不同的纺织结构中,开发出具有电热功能和传感功能的纺织品。首先,本研究通过探讨涂层工艺以及聚乙烯醇溶剂,改善碳纳米管纱线的力学、耐磨性能。涂层工艺包括直接涂层法和间接涂层法,其中直接涂层法是指将PVA溶液涂层在已加捻的碳纳米管膜卷纱表面(碳纳米管涂层纱),间接涂层法是指将PVA溶液先涂层在碳纳米管膜表面,再加捻成膜卷纱(碳纳米管膜卷复合纱)。结果发现,相比碳纳米管膜卷纱,碳纳米管膜卷复合纱的抗拉强度提高127%,耐磨性能提高900%,碳纳米管涂层纱的抗拉强度提高39.1%,耐磨性能提高118%。PVA溶剂包括去离子水(H2O)和二甲基亚砜(DMSO)。结果发现,当膜卷纱捻度、膜宽分别为12捻/cm、5mm,相比PVA&H2O溶液处理后的碳纳米管膜卷复合纱,PVA&DMSO溶液处理后其抗拉强度提高23.4%,可达到650MPa,断裂强力超过28N,断裂伸长率超过30%。因此采用间接涂层法,并以PVA&DMSO为涂层溶液可制备出高强、耐磨、柔软的碳纳米管膜卷复合纱。其次,探讨了碳纳米管膜卷复合纱的电热性能以及它在三维机织复合材料中的发热情况。结果显示,恒电压条件下碳纳米管膜卷复合纱具有热响应速度快的特点。在2.5V时可达到125℃,具有良好的发热性能。在递增、递减以及循环电压条件下,膜卷复合纱表现出良好的热稳定性以及耐久性。将碳纳米管膜卷复合纱作为纬纱、经纱、垂纱织入三维玻璃纤维织物中,并制备成复合材料,在6V时纱线表面温度分别可达到77℃、72℃、43℃,并保持着良好的热稳定性。最后,采用聚酰亚胺树脂涂层碳纳米管膜卷复合纱(PI/CNT膜卷复合纱),赋予纱线绝缘、耐腐蚀性能,以满足特殊环境如海水条件下的应用要求,并探讨了PI/CNT膜卷复合纱绝缘、传感性能。结果发现,PI/CNT膜卷复合纱内部电阻正常,外层绝缘,其电阻率可达到1.21×108Ω·m,满足工程上绝缘材料的要求。PI/CNT膜卷复合纱的传感曲线光滑,线性度良好,传感系数可达到0.91。将膜卷复合纱与绳索结构相结合时,传感曲线的线性度受到一定影响,其中编织方式的电阻变化率波动剧烈,而嵌入方式可实现监控应变变化。
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