靜電紡絲技術(shù)制備pucn納米纖維包芯紗及其壓敏性能研究

靜電紡絲技術(shù)制備pucn納米纖維包芯紗及其壓敏性能研究

碳納米管作為一種全方位的納米材料，質(zhì)量輕，連接完美，具有良好的力學(xué)、電磁學(xué)和熱學(xué)性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入,其在組織工程支架、藥物釋放系統(tǒng)、納米傳感器和超級電容器等領(lǐng)域的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來納米纖維具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料所不具備的表面效應(yīng)與小尺寸效應(yīng),可以提高材料反應(yīng)性能、機械強度、滲透性能、光電質(zhì)量等,使得納米纖維被廣泛應(yīng)用于過濾材料、醫(yī)學(xué)、電池和傳感器等領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用前景壓力傳感器可以在特定壓力下產(chǎn)生信號并以一種信號傳導(dǎo)的方式運轉(zhuǎn),因此被廣泛應(yīng)用于人體電子設(shè)備、人工智能和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域1測試1.1材料表面聚氨酯,分子量16萬,密度1.12g/cm1.2織物表面粗糙度首先,通過等離子體修飾技術(shù)對滌綸長絲表面進行氧氣低溫等離子體修飾,使滌綸長絲表面變得粗糙。然后將處理后的滌綸長絲放入高真空多功能磁控濺射設(shè)備中進行滌綸長絲表面鍍銅處理,獲得導(dǎo)電滌綸長絲。1.3pu/cnt紡絲液的制備首先,將CNT溶于N-N二甲基甲酰胺和四氫呋喃混合溶液中(質(zhì)量比為1∶1)中超聲8h,然后將聚氨酯(PU)顆粒溶于均勻的CNT分散液中,在室溫下經(jīng)磁力攪拌器攪拌溶解后得到質(zhì)量分數(shù)為12%的PU/CNT紡絲液,攪拌時間為10h。1.4pu/cnt納米纖維包芯紗線的制備制備連續(xù)納米纖維包芯紗的雙重共軛靜電紡裝置見圖1,包括紡絲針頭、供液裝置、金屬喇叭和卷繞裝置等。兩組針頭對稱排列在以喇叭為中心的兩側(cè),分別與高壓發(fā)生器的正負極相連,金屬喇叭不接地。儲液裝置中的溶液被勻速地輸送到紡絲針頭中,經(jīng)電場力的拉伸形成納米纖維,納米纖維在喇叭處聚集成倒錐形納米纖維網(wǎng),并進一步牽伸導(dǎo)電滌綸長絲取向成纖維束,經(jīng)喇叭旋轉(zhuǎn)加捻獲得有捻的PU/CNT納米纖維包芯紗,并將其連續(xù)地卷繞到卷繞裝置上。聚氨酯溶液質(zhì)量分數(shù)為12%,碳納米管占聚氨酯質(zhì)量的1%,電壓為18～20kV,紡絲溶液總流量為2.0～4.4mL/h,正負噴頭溶液流量比為1∶3～3∶1,正負針頭間的距離為14～20cm,噴頭距離喇叭口邊緣的垂直距離為4cm,針頭內(nèi)徑0.51mm,喇叭轉(zhuǎn)速0～180r/min,卷繞速度0～50r/min1.5pu/cnt納米纖維傳感器的組裝在獲得的PU/CNT納米纖維包芯紗的表面涂覆一層帶有導(dǎo)電銅絲的PDMS凝膠膜,制備獲得PU/CNT納米纖維傳感器,其示意圖見圖2。1.6納米纖維紗線的表面形貌采用日本JSM-6360型掃描顯微鏡觀察所制備納米纖維紗線的表面形貌。測試條件:恒溫20℃,相對濕度65%,加速電壓15kV,測試前樣品進行鍍金處理。1.7試樣拉伸和拉伸性能測試采用美國Instron365型電子強力儀進行紗線的拉伸力學(xué)性能測試,用于測試的紗線樣品長為25mm,試樣夾持長度10mm,拉伸速度10mm/min,初始張力為0.2cN。每種試樣測試10次,最后求平均值。測試條件:恒溫20℃,相對濕度65%。1.8電能測試在室溫條件下,采用KEITHLEY2400型數(shù)字源表測試單位長度PPy/PAN/GO復(fù)合納米纖維紗的電阻。2分析與討論的結(jié)果2.1導(dǎo)電滌綸長絲的sem分析圖3為導(dǎo)電滌綸長絲和PU/CNT納米纖維包芯紗的典型掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。從圖3(a)可以看出,納米銅膜顆粒均勻覆蓋在滌綸長絲表面,團聚比較明顯。圖3(b)是導(dǎo)電滌綸長絲橫截面的SEM圖像,顯示出納米銅膜層和納米纖維層之間的同軸結(jié)構(gòu)和緊密接觸的界面。圖3(c)的PU/CNT納米纖維包芯紗具有均勻的捻回分布,紗中纖維沿捻度方向平行取向。圖3(d)是PU/CNT納米纖維包芯紗橫截面的SEM圖像,這種獨特的同軸結(jié)構(gòu)使導(dǎo)電滌綸長絲在機械變形下能夠與PU/CNT納米纖維層緊密連接,這對于傳感器輸出穩(wěn)定和可逆的電信號非常重要。2.2拉伸斷裂強力為了進一步研究鍍銅后的滌綸長絲和PU/CNT納米纖維包芯紗的力學(xué)性能,對其進行了拉伸試驗,結(jié)果見圖4。由圖4可以看出,鍍銅后的滌綸長絲斷裂強力和斷裂伸長率得到微小的提高,分別達到了9N和47%。此外,PU/CNT包芯紗顯示出更高的拉伸強度,為10N。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是:覆蓋在滌綸長絲表面的納米銅膜金屬層提高了滌綸長絲的斷裂強力;納米銅膜作為中間夾層,連接了PU/CNT納米纖維與導(dǎo)電滌綸長絲,在拉伸時彼此之間有摩擦;包芯紗表面有排列取向的PU/CNT納米纖維束,由于PU具有良好的彈性,CNT具有柔韌性,因此增大了包芯紗的斷裂強力。2.3導(dǎo)電滌綸長絲的表面鍍銅時間的確定滌綸長絲本身不帶電,而屬于金屬的銅導(dǎo)電性能優(yōu)良,因此鍍銅之后的導(dǎo)電滌綸長絲的導(dǎo)電性能明顯增強。由于鍍銅時間對滌綸長絲表面的鍍銅率有重要影響,本文對不同鍍銅時間(10、20、30min)下的導(dǎo)電滌綸長絲進行測試,結(jié)果見圖5。從圖5可以看出,鍍銅時間越長,電阻越小,電流越大。當(dāng)鍍銅時間為30min時,電阻最小,為11.1mΩ/cm。這是由于滌綸長絲表面的銅膜越厚,納米銅之間的接觸越緊密,電流的傳遞速率越快。2.4壓力范圍不同的情況下傳感器靈敏度高傳感器的壓力靈敏度S受制于相對整體電阻值的變化[(R可以看出,在相對較低的壓力范圍內(nèi)(稱為階段Ⅰ),傳感器靈敏度高達5.1N3pu/cnt納米纖維本文通過射頻磁控濺射法和靜電紡絲技術(shù)制備了PU/CNT納米纖維壓力傳感器。研究表明,滌綸長絲經(jīng)射頻磁控濺射銅后,納米銅