高强耐磨型碳纳米管膜裂纱的制备及其应变传感与电热性能研究

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1、学校代码：10255学号：2150105高强耐磨型碳纳米管膜裂纱的制备及其应变传感与电热性能研究FABRICATIONANDSTRAINSENSING/ELECTROTHERMALPROPERTIESOFCNTFILMTWISTEDYARNSWITHHIGHTENACITYANDWEARABILITY学科专业：纺织材料与纺织品设计作者姓名：孙立军指导教师：许福军答辩日期：2018年1月5日东华大学2015级硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注孙宝忠教授答辩委员会主席东华大学纺织学院辛斌杰教授答辩委员会委员上海工程技术大学张瑞云教授答辩委员会委

2、员东华大学纺织学院刘洪玲副教授答辩委员会委员东华大学纺织学院姚澜副教授答辩委员会委员东华大学纺织学院章倩助理研究员答辩委员会秘书东华大学纺织学院东华大学硕士学位论文摘要高强耐磨型碳纳米管膜裂纱的制备及其应变传感与电热性能研究摘要智能纺织品在保持织物基本功能的同时，也承载着监控人体健康和运动水平的作用，可服务于医疗、娱乐等诸多领域。新型的功能纱线在智能纺织品的设计与应用中至关重要。碳纳米管（carbonnanotube,简称CNT）纱线作为具有优异的力学、电学和传感等多功能纤维材料，是智能纺织品嵌入材料的理想选择。但是，目前常规纺丝方法，如湿法纺丝法、气凝胶加捻

3、纺丝法、可纺阵列抽丝法等制得的CNT纱线存在直径小、强力低和不耐磨等缺陷，严重限制了其在智能纺织品领域的应用。为解决这一难题，本文采用自主设计搭建的膜裂纱可控制备装置，将CNT膜加捻成粗细可调且均匀紧致的纱线，实现高断裂强力、高耐磨性的多功能纱线结构，对其力学、电学、应变传感和电热性能进行了表征与分析，证实了其在纺织品领域的应用潜力。首先，根据CNT膜原材料的基本性能，设计搭建膜裂纱的可控制备装置，确定加捻工艺参数，制备出不同捻度的粗细可调的碳纳米管膜裂纱，包括由四种宽度（1mm、3mm、5mm、7mm）的CNT膜（厚度为18.9μm）分别各自经过三种捻度（3

4、00TPM、600TPM、900TPM）加捻而成的12种CNT膜裂纱。通过光学显微镜观察其表面结构，发现低捻纱的结构较松散且粗细不匀，随着CNT膜宽度及捻度增加，膜裂I东华大学硕士学位论文摘要纱的结构变得均匀紧密，具有良好的螺旋加捻结构。然后，采用偏振光显微镜、单纤强力拉伸仪和扫描电子显微镜对膜裂纱的表面形态结构、力学性能、拉伸断裂机理进行系统表征，分析各参数变量对其性能的影响。结果显示，随着捻度及CNT膜宽度的增加，CNT膜裂纱的断裂伸长率和断裂强度都得到了提高，其中7-900膜裂纱（7mm宽的CNT膜加捻900TPM所得膜裂纱）的断裂强度和断裂伸长率分别为

5、265.9MPa、34.1%，与CNT膜相比分别提高了194.8%和74.9%；气凝胶加捻法制备的直径为130μm的CNT纱线的强力和强度分别为135.9cN、102.3MPa，而相似细度（直径为137μm）的CNT膜裂纱的强力和强度为260.8cN、177.1MPa，分别提高了91.9%、73.1%；另外同等细度水平上的CNT膜裂纱的耐磨次数较CNT合股纱也提升了175.2%；与文献资料报道的湿法纺丝、气凝胶纺丝或阵列纺丝所制得的CNT纱线相比，CNT膜裂纱的直径（130-450μm）、断裂伸长率（约35%）高出一个数量级左右，更适用于在纺织品领域的应用。其

6、次，利用单纤强力拉伸仪与两探针数字万用表对CNT膜裂纱的电学性能、拉伸应变传感性能以及循环拉伸载荷下的电学稳定性进行系统研究。结果显示，松散结构的低捻膜裂纱电导率最小，随着捻度增大，导电性变好，7-900膜裂纱的电导率可达到886S/cm；CNT膜裂纱的传感范围（35%拉伸应变）是CNT膜（18%）的将近2倍；CNT膜裂纱的紧密结构使其在10%以内的循环拉伸应变下始终保持优良的电学稳定性；CNT膜裂纱的拉伸应变传感的应用范围可达35%左右，II东华大学硕士学位论文摘要远高于CNT合股纱或其他纺丝方法所制的CNT纱线。最后，为了开发CNT膜裂纱在智能可穿戴纺织品

7、领域中的应用潜力，采用红外热成像仪对膜裂纱在不同外加电压模式下的电热性能进行了系统研究，并尝试织造各种织物小样。结果显示，其温度可由通电电压精准控制，且可以瞬间响应升温，约5s后即可达到稳定平衡状态；相同电压或功率下，CNT纱线的发热温度要高于CNT膜，即CNT纱线的发热效率（h值约为5-6）远高于CNT膜（h值约为11）；CNT材料的电热效应具有可重复及稳定性，CNT膜的升降温过程中的温度前后保持一致，而CNT纱线（膜裂纱和合股纱）的降温过程温度要高于升温过程，表现出一定程度的蓄热性。综合本文关于膜裂纱力学、电学、电热性能的研究，证实碳纳米管膜裂纱是一种高强

8、耐磨型多功能纱线，在未来纺织品领域的发