柔性導(dǎo)電熱塑性聚氨酯基取向多孔復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、導(dǎo)電高分子復(fù)合材料（Conductive polymer composites，CPCs）是將一種或多種導(dǎo)電填料加入高分子基體中復(fù)合制備而成的一類具有導(dǎo)電功能的復(fù)合材料。由于其具有成本低，易加工和性能易調(diào)控等優(yōu)點，受到人們的廣泛關(guān)注。CPCs在受到外界刺激（如應(yīng)變、溫度、有機氣體等）時電阻會發(fā)生規(guī)律的變化，因此其在柔性傳感器領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)方法制備的 CPCs基應(yīng)變傳感器存在輸出信號不穩(wěn)定，應(yīng)變范圍小等缺點，限制了其實際

2、應(yīng)用。隨著研究的深入，人們已制備出了具有較大應(yīng)變測試范圍的 CPCs多孔材料，但是該類材料的力學(xué)性能較弱，且應(yīng)變響應(yīng)行為的穩(wěn)定性和可回復(fù)性較差。因此，通過對多孔材料微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控，制備出具有較大壓縮應(yīng)變、較高的力學(xué)性能、良好的穩(wěn)定性和可回復(fù)性的多孔CPCs材料具有重要的研究意義。
　　本文以熱塑性聚氨酯（TPU）為基體，以碳納米管（CNTs）為導(dǎo)電填料，采用單向冷凍與冷凍干燥相結(jié)合的方法，制備出質(zhì)輕的柔性CNTs/TPU取向多孔材

3、料。對該材料的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了研究，主要成果如下：
　　1.首次采用單向冷凍-冷凍干燥技術(shù)成功制備了具有取向泡孔結(jié)構(gòu)的CNTs/TPU導(dǎo)電復(fù)合材料?？讖郊s為10?m，CNTs均勻的分布在TPU基體中。由于CNTs分散均勻以及CNTs和TPU之間結(jié)合良好，CNTs/TPU取向多孔材料具有超低逾滲值（體積分?jǐn)?shù)為0.0023％）。由于多孔結(jié)構(gòu)的存在，取向多孔材料的密度低至0.13 g·cm-3。與無規(guī)多孔CPCs材料相比，其在取向方向上

4、的力學(xué)性能得到了顯著的提高。
　　2.研究了CNTs/TPU取向多孔材料的壓敏特性。在壓縮過程中復(fù)合材料的電阻值隨壓縮應(yīng)變的增大呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢，在回復(fù)過程中電阻上升并且能夠較好的回復(fù)到初始值。這是由于壓縮過程中泡孔壁相互接觸形成更多的導(dǎo)電通路，使得材料的電阻值下降；而在回復(fù)過程中因受壓而接觸的泡孔壁又再次分離，導(dǎo)致導(dǎo)電通路的減少而使電阻值上升。復(fù)合材料在壓縮應(yīng)變下在較大的壓縮應(yīng)變范圍（0-77%）內(nèi)顯示出良好的線性行為?；?/p>

5、構(gòu)筑的取向多孔結(jié)構(gòu)，該材料具有良好的結(jié)構(gòu)完整性和優(yōu)異的力學(xué)性能，在2000個循環(huán)壓縮之后依然保持著良好的穩(wěn)定性和可回復(fù)性，表明該材料具有良好的耐久性，適合長期使用。另外，材料在多種不同的人體運動下模式下均顯示出較快的響應(yīng)速率以及良好的穩(wěn)定性，顯示了其在人體運動檢測領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值。
　　3.研究了CNTs/TPU取向多孔材料的彎曲敏感性能以及拉伸敏感性能。在彎曲過程中材料的電阻值呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢，回復(fù)過程電阻上升，與壓縮過程

6、不同的是，其電阻不能回復(fù)到初始值，這是由于彎曲過程中部分導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)受到了永久性破壞，導(dǎo)致材料的阻值上升。多循環(huán)測試也顯示出較差的穩(wěn)定性。考察了預(yù)處理對材料彎曲敏感性能穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明對復(fù)合材料進(jìn)行20個循環(huán)的預(yù)處理后直接進(jìn)行循環(huán)彎曲測試，其對穩(wěn)定性提升作用不明顯；而在彎曲處理后給予試樣24 h的回復(fù)時間，發(fā)現(xiàn)當(dāng)預(yù)處理應(yīng)變大于循環(huán)彎曲的應(yīng)變時復(fù)合材料具有良好的穩(wěn)定性和可回復(fù)性。另外，在拉伸應(yīng)變測試時發(fā)現(xiàn)CNTs/TPU取向多孔材料的斷