湿纺制备纳米复合纤维及其应变传感_大气集水性能研究.pdf

摘要

纳米复合纤维是通过在纤维中引入纳米材料而制备的具有特定性能的新型一维

材料。在纤维中引入纳米材料能够赋予纤维多种独特的性能，如抗菌、导电、阻燃、

过滤等。在医疗保健、航空航天、环境修护改善和能源存储方面纳米复合纤维展现

出巨大的应用潜力。纳米复合纤维的构筑往往是通过直接纺丝或者表面处理来赋予

纤维一些特定的功能。然而，由于纳米材料本身高强度、高表面能等特性的影响，

在复合材料中容易发生团聚现象，纳米复合纤维会受到纺丝工艺的限制，纺丝过程

中会严重影响纤维的力学性能以及其特定性能，甚至于无法纺丝。此外，由于复合

材料间会存在界面不相容性，也会导致纳米复合纤维的力学性能较差以及在纺丝过

程中受到限制。因此，针对纳米材料易团聚以及复合材料之间界面作用力较弱等问

题，本文通过湿法纺丝工艺，采用两种不同的界面增强方法构筑了弹性导电复合纤

维和大气集水凝胶复合纤维，对界面增强前后的纳米复合纤维进行了力学性能以及

应变传感性能和大气集水性能的分析比较，主要取得以下研究成果：

1.本文通过湿法纺丝采用连续化热聚合策略构筑了碳纳米管/聚二甲基硅氧烷

（CNT/PDMS）弹性导电复合纤维。根据流变性能测试可知复合纺丝液具有良好的

可纺性，所制备的纤维具有被连续化纺丝的潜力。基于CNT/PDMS弹性导电复合纤

维组装的纤维应变传感器具有良好的导电性以及在小应变条件下稳定的应变传感性

能。为了进一步提升CNT/PDMS弹性导电复合纤维的力学性能以及应变传感性能，

本文采用硅烷偶联剂KH570对CNT进行修饰。通过湿法纺丝采用连续化热聚合策

略成功制备出了改性后的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（MCPF）弹性导电复合纤维。

经过KH570改性后的CNT介电性得到改善，KH570成功与CNT发生反应，形成了

强烈的烷氧基和硅碳基结构，提高了CNT与PDMS基底间的界面作用力。所制备

的MCPF复合纤维具有被连续化纺丝的巨大潜力，能够与传统纺织物混编，为传统

服装向可穿戴智能服装转变提供了一定基础。相比较于CNT/PDMS复合纤维，

MCPF的刚性较低，具有更好的力学性能以及力学稳定性。其断裂伸长率较高；在

不同应变下的拉伸循环中机械损耗较小；在重复性拉伸过程中其最大应力保持率也

更为优异。MCPF复合纤维所组成的应变传感器具有稳定的传感性能、响应时间小

于120ms，能够快速响应外界刺激。其还具有较长的工作寿命和较高的应变传感线

性度。可穿戴式MCPF传感器能够适应复杂的表面，并准确监测大关节和小关节的

运动，展示了在人体运动监测领域的巨大潜力。

2.本文通过湿法纺丝采用连续化离子交换策略构筑了海藻酸钠/羟基磷酸钙

（SA/HAP）水凝胶复合纤维。流变结果显示SA/HAP水凝胶复合纤维具有优异的可

VI

纺性，在较低湿度下能够快速吸收大气中水蒸气。为了进一步提升海藻酸钠基水凝

胶复合纤维的力学性能以及大气集水性能，本文通过湿法纺丝采用连续化原位聚合

策略构筑了海藻酸钠与聚丙烯酰胺双网络结构界面增强复合纤维海藻酸钠/聚丙烯酰

胺（SPFs），并通过盐渍效应使大量的锂盐成功负载到SPFs纤维内部，成功制备了

氯化锂@海藻酸钠/聚丙烯酰胺（LiCl@SPFs）复合纤维。LiCl@SPFs复合纤维能够

-2+

适应高不规则表面，具有优异的柔韧性以及灵活性。SPFs复合纤维中-COO与Ca

形成了配位键并构成了第一层网络，丙烯酰胺（AM）中的C=C双键打开并形成了

聚丙烯酰胺（PAM）构筑第二层凝胶网络。海藻酸钠与聚丙烯酰胺双网络之间形成

了氢键，这两种氢键的形成表明第一层网络与第二层网络之间的界面作用良好。

SPFs复合纤维相比于纯的海藻酸钠纤维，断裂伸长率得到了有效提升。LiCl@SPFs

复合纤维的饱和吸附量以及饱和吸附时间相比于海藻酸钠/羟基磷酸钙水凝胶复合纤

维均得到了较大的提升。在90%RH的高湿度条件下LiCl@SPFs复合纤维也能在30

分钟内完成解湿，这为LiCl@SPFs复合纤维的大气水蒸气的有效利用提供了一定保

障。LiCl@SPFs