Page 120 - 《精细化工》2020年第6期
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·1186· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 37 卷
变,按照上述步骤合成纯 PU 纳米纤维(实验过程 率 ρ 用式(1)计算:
中不加入导电材料),用作参比样。 RS / L (1)
1.2.2 CB/PU 纳米纤维的制备 式中:ρ 是纳米纤维膜的体积电阻率,Ω·m;R 是纳
利用 MDI-50 与 PPG 2000 合成聚氨酯预聚体, 米纤维膜的体积电阻,Ω;S 是纳米纤维膜的横截面
在扩链反应中加入导电填料 CB。具体步骤如下:将 积,m ;L 是电极间的距离,m。
2
8 g PPG 2000 与 3 g MDI-50 混合后置于恒温加热磁 1.3.7 传感性能测试
力搅拌器中,50 ℃下搅拌 45 min 预热,将温度升高 将聚氨酯纳米纤维膜裁剪成长为 60 mm、宽为
到 90 ℃,继续反应 3 h,生成聚氨酯预聚体。利用 10 mm 的长方形,置于数显式推拉力计上,夹持距
20 mL DMF 溶解聚氨酯预聚体,搅拌均匀后,将 10 离为 40 mm,纤维膜伸直而不伸长。将数字万用表
mL CB/EDA/DMF 混合溶液(EDA 浓度为 1 mol/L) 的电极夹在纳米纤维膜的两端,电极间的距离约为
滴加到聚氨酯预聚体中,完成扩链反应。用针管抽 40 mm。转动数显式推拉力计的螺杆,拉伸聚氨酯
取合成的导电聚氨酯溶液,置于注射泵上,施加 纳米纤维膜,利用数字万用表测试不同拉伸状态下
20 kV 的高压,制备 CB/PU 纳米纤维膜。 纤维膜的电阻,绘制相对电阻变化-应变曲线。传感
维持上述实验所用 PPG 2000、MDI-50 和 EDA 系数 GF 用式(2)计算:
的质量不变,改变 CB 的含量分别为聚氨酯质量的 GF ( RR / ) / (2)
0
7.5%、10.0%、12.5%、15.0%,制得的 CB/PU 导电 式中:ΔR 为电阻的变化,Ω;R 0 为纳米纤维膜的初
纳米纤维膜分别命名为 CB-7.5%/PU、CB-10.0%/PU、 始电阻,Ω;ε 为纳米纤维膜的应变,%。
CB-12.5%/PU、CB-15.0%/PU。 将聚氨酯纳米纤维膜置于拉伸试验机上,夹持
1.3 结构表征与性能测试 距离为 40 mm。纤维膜以 20 mm/min 的速度拉伸至
1.3.1 微观形貌表征 60 mm,到达终点后立刻以相同的速度返回初始位
利用场发射扫描电子显微镜观察纳米纤维表面 置,拉伸循环 1000 次。利用导线将电化学工作站与
形貌。并利用 Nano Measure 软件计算纳米纤维直径。 聚氨酯纳米纤维膜两端相连,记录导电纳米纤维膜
利用透射电子显微镜,在 200 kV 电压下对导电纳米 的相对电阻变化-时间曲线,测试导电纳米纤维膜的
纤维膜进行观察。 循环性能。
1.3.2 红外光谱表征
利用傅里叶变换红外光谱仪对 PU、CNT/PU、 2 结果与讨论
CB/PU 纳米纤维膜作全反射测试,波数范围为 4000~
–1
500 cm 。 2.1 微观形貌分析
PU、CNT-5.0%/PU、CB-7.5%/PU 纳米纤维的
1.3.3 DSC 表征
称取 5 mg 左右的样品,利用差示扫描量热仪进 SEM 图、直径分布图如图 1 所示。3 种纳米纤维全
部随机取向形成三维网络结构,纯 PU 纳米纤维表面
行测试,在氮气氛围下,温度以 10 ℃/min 从 30 ℃升
光滑,直径约为 260 nm,CNT-5.0%/PU、CB-7.5%/PU
高到 300 ℃,保温 5 min 消除热历史,再以 10 ℃/min
从 300 ℃降到–70 ℃,最后以 10 ℃/min 从–70 ℃ 纳米纤维的平均直径分别为 420、370 nm。理论上,
升高到 300 ℃,取第二次升温曲线。 由于溶液具有导电性,在电场的作用下会被劈裂成
1.3.4 XRD 表征 数份,由于外加电场的牵伸作用,导电纳米纤维的
利用 X 射线衍射仪测试样品,Cu 靶 K α 为辐射 直径应低于纯纳米纤维。然而,事实是导电纤维的
源(λ=0.15406 nm),扫描角度 5°~70°,扫描速度为 直径远高于纯聚氨酯纤维,此现象可能是由于导电
0.02(°)/s。 填料掺杂进聚氨酯纳米纤维内部,导致纤维直径增
1.3.5 力学性能测试 大。CNT 由于团聚,聚集成束分散在聚氨酯纤维表
将纳米纤维膜剪成哑铃型,利用电子拉力试验 面,将数根纳米纤维缠结在一起,因此,SEM 图片
机测试样品的力学性能,夹持距离 L 0 为 40 mm,室 上几乎看不到完整的单根纤维。CB 粒子较为均匀地
温为 26 ℃,拉伸速度为 50 mm/min。 分散在 CB/PU 纳米纤维表面。SEM 图片表明,由
1.3.6 电性能测试 于制备工艺等因素,CNT、CB 并没有被完全包裹进
将纳米纤维膜剪成长 40 mm、宽 10 mm 的长方 聚氨酯纳米纤维内部,有部分导电填料分散在聚氨
形,利用膜厚仪测量纳米纤维膜的厚度,取 10 个点, 酯纤维表面。
求平均值。将数字万用表的电极夹在纳米纤维膜的 CNT-5.0%/PU、CB-7.5%/PU 纳米纤维的 TEM
两端,测量纤维膜的电阻。纳米纤维膜的体积电阻 图如图 2 所示。