Page 124 - 《精细化工》2020年第6期

·1190· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 37 卷

裂伸长率显著下降，从 196%降低到 130%。 了硬相区中原有的氢键，但 CB 的成核作用又促使
聚氨酯硬链段重新排列，生成新的晶相，弥补了这
种破坏，所以 CB 的加入不会降低聚氨酯纳米纤维
的断裂强度；CB 粒子与聚氨酯硬链段间存在物理、
化学吸附两种作用，既可以通过分子链的滑移来吸
收外力，起到缓冲作用，又可以凭借两者间的强相
互作用使应力均匀分布，因此，CB 的添加显著提高
了聚氨酯纳米纤维的机械性能。由于 CB 粒子分散
在聚氨酯硬链段，不影响软链段大分子的运动，所

以 CB/PU 纳米纤维的断裂伸长率几乎不发生变化。
图 7 PU、CNT-8.0%/PU、CB-15.0%/PU 纳米纤维的断裂
强度、弹性模量和断裂伸长率 2.6 电性能分析
Fig. 7 Tensile strength, elastic modulus and elongation at 电阻率可表征材料本身的电学性质，电阻率的
break of PU, CNT-8.0%/PU and CB-15.0%/PU 大小不受外界环境影响，只取决于材料自身性质，
nanofibers
电阻率越大，材料的导电性能越差。导电填料添加
FTIR、DSC 和 XRD 分析结果表明，CNT 均匀 量不同时，CNT/PU、CB/PU 导电纳米纤维膜的电
分散在聚氨酯软链段中，阻碍了软链段大分子的移 阻率如表 3 所示。加入导电填料后，聚氨酯纳米纤
动，而聚氨酯的弹性依赖于软相区大分子链的伸长， 维膜导电性能显著增加，完成了由绝缘体向导体的
故 CNT/PU 纳米纤维的弹性和断裂伸长率下降显 转变。随着导电填料含量增加，CNT/PU、CB/PU
著；然而，CNT 的添加不影响聚氨酯硬段的结晶行 纳米纤维膜的电阻率均先减小后增大。当 CNT 含量
为，并且对软链段的结晶有些许的促进作用，所以 从 5.0%增加到 6.0%时，CNT/PU 纳米纤维膜电阻率
CNT/PU 纳米纤维的弹性模量和断裂强度都有所增 下降剧烈，从 10.28 Ω·m 下降到 1.22 Ω·m，CNT 含
加。有文献表明，如果填料优先与聚氨酯硬段相互 量继续增加，CNT/PU 纳米纤维的电阻率缓慢上升，
作用，则材料的强度和模量增强，断裂伸长率几乎 但始终低于 10.28 Ω·m。当 CB 含量从 7.5%增加到
不变 [20] 。CB/PU 纳米纤维膜力学性能的变化趋势与 12.5%时，CB/PU 纳米纤维膜的电阻率从 1.84 Ω·m
此结论相符，可用来证明 CB 确实分散在聚氨酯硬 逐渐降到最低，为 0.14 Ω·m，当 CB 的含量增加到
相区中。虽然 CB 粒子在聚氨酯硬相区的分散破坏 15.0%时，纤维膜的电阻率略有增加，为 0.23 Ω·m。

表 3 导电聚氨酯纳米纤维膜的电阻率
Table 3 Resistivity of conductive polyurethane nanofiber membranes
样品

CNT-5.0%/PU CNT-6.0%/PU CNT-7.0%/PU CNT-8.0%/PU CB-7.5%/PU CB-10.0%/PU CB-12.5%/PU CB-15.0%/PU
电阻率/(Ώ·m) 10.28 1.22 1.95 3.18 1.84 0.40 0.14 0.23

2.7 传感性能分析 (ΔR/R 0 )/ε，GF 可以评估不同传感器件的传感性能。
按照 1.3 节中的测试步骤，测试导电聚氨酯纳 由定义可知，传感系数 GF 的值就是相对电阻变化-
米纤维膜的应变传感性能。在不同导电填料添加量 应变曲线的斜率，因此观察相对电阻变化-应变曲线
下，CNT/PU 导电纳米纤维膜、CB/PU 导电纳米纤 的斜率，可以清晰直观地看出不同导电填料添加量
维膜的相对电阻变化-应变曲线如图 8 所示。从图 8 下，导电聚氨酯纳米纤维膜灵敏度的变化。从图 8
可以看出，两种导电聚氨酯纳米纤维膜的相对电阻 中可以看出，导电填料的添加量不同，导电聚氨酯
变化和应变之间的关系曲线呈指数上升。这是因为， 纳米纤维膜的灵敏度不同，当 CNT 的含量为 6.0%、
拉伸破坏了 CNT/PU 导电纳米纤维膜、CB/PU 导电 CB 的含量为 12.5%时，CNT/PU、CB/PU 纳米纤维
纳米纤维膜内部的导电网络，致使导电通路减少， 膜的灵敏度最高。CNT-6.0%/PU 纳米纤维膜的传感
纤维膜电阻增大。当应变增加到 120%时，两种导电 系数 GF 可以随应变分为 3 个部分：拉伸应变在
聚氨酯纳米纤维内部的导电网络被完全破坏，聚氨 0~40%时，传感系数 GF 为 3.61；拉伸应变在 40%~
酯纳米纤维膜不再具有导电性，即便此时纳米纤维 80%时，传感系数 GF 为 16.20；拉伸应变在 80%~
没有被拉断也不再具有应变传感性能。研究学者 120%时，传感系数 GF 为 45.64。CB-12.5%/PU 纳米
通常用传感系数 GF 来表征传感器的灵敏度，传感 纤维膜的传感系数 GF 也随拉伸应变分为 3 个部分：
系数 GF 的数值为相对电阻变化与应变的比值 拉伸应变在 0~40%时，传感系数 GF 为 7.00；拉伸