摘要
近年来，聚丙烯腈（PAN）是制备功能复合纤维最适合的基体材料之一，因而受到研究人员的广泛关注。应用碳素纳米材料复合PAN制备复合纤维已成为人们的研究热点之一。碳纳米管（CNT）具有极大的长径比、较高的热导率、极好的拉伸强度、高的电导率等特性，作为纳米填料复合到PAN纤维，可以极大地提高纤维材料的力学、热学和电学性能。与传统纺织品相比，具有加热、理疗和保健等功能的可穿戴电热纺织品是一项突破性创新，其中具有良好机械性能和优异导电性的纤维材料是产品的核心单元。因此，制备高强度、高韧性、高电导率的复合纤维是获得高性能的可穿戴电热纺织品的必要前提。 为此，本文基于PAN和羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs），采用湿法纺丝技术制备了一种具有偏芯结构的MWCNTs/PAN导电复合纤维。采用扫描电子显微镜观察了MWCNTs/PAN复合纤维的形貌结构。通过红外光谱、拉曼光谱、X射线衍射、X射线光电子能谱等表征方法，探究了MWCNTs/PAN复合纤维的化学结构变化。通过热重曲线分析了MWCNTs/PAN复合纤维的热稳定性。采用二维广角X射线衍射仪探究了MWCNTs/PAN复合纤维的取向度。采用万能材料试验机和半导体参数分析仪分别测试了MWCNTs/PAN复合纤维的力学性能和电学性能。进一步将MWCNTs/PAN复合纤维进行上油工艺处理和热定型工艺处理，达到改善复合纤维的力学性能和电学性能的目标。最后，分别由复合纤维、上油工艺处理后的复合纤维和热定型工艺处理后的复合纤维制备得到三种导电织物，通过比较三种导电织物的焦耳热性能、电热转换效率、电热重复性和长期稳定性，以实现高性能电热纺织品的制备。 结果表明：MWCNTs与PAN之间存在分子间作用力，MWCNTs成功复合到了PAN纤维。随着MWCNTs含量的添加，复合纤维的热稳定性逐渐提高。复合纤维的取向度明显提高，取向因子达到80%以上。当MWCNTs含量为6wt.%，针头类型为21G时，复合纤维的综合力学性能最好，拉伸强度为291MPa，断裂伸长率是21.5%。复合纤维具有出色的电学性能，导电逾渗阈值在5～6wt.%，当MWCNTs含量为6wt.%，针头类型为21G时，复合纤维的电导率为51.6S/cm，电阻低至12.5kΩ/m。上油工艺处理后的MWCNTs/PAN复合纤维的电导率略有下降，但力学性能明显提高了。对于热定型工艺处理，MWCNTs/PAN复合纤维的力学性能随着拉伸倍数的增加而变差，而电导率反之；随着热定型温度的提高，MWCNTs/PAN复合纤维的力学和电学性能增加显著。在安全的低电压（2～6V）下，制备的三种导电织物表现出了安全性、热稳定性、温度可控等优异的焦耳热性能。三种导电织物的电热转换效率在0.014～0.027W/℃之间，表明导电织物均具有极好的电热转换效率。在外界因素的影响下，三种导电织物的最高稳态温度基本无明显变化，相对电阻（R/R0）也变化不大，说明导电织物均具有优异的电热重复性和稳定性。其中，热定型处理后的复合纤维制备的导电织物的电热性能是最好的。
NETL