聚丙烯/碳纳米管单丝复合材料的结构健康监测应用：添加剂与工艺参数对传感性能的调控机制

本文系统研究了熔融纺丝法制备的聚丙烯/碳纳米管（PP/CNT）单丝在结构健康监测（SHM）中的应用。通过调控碳纳米管（CNT）和炭黑（CB）含量、添加聚乙二醇（PEG）作为加工助剂，并优化挤出机螺杆转速，显著改善了材料的形态均一性、力学性能和电学响应。研究证实，PEG可降低纺丝压力达26%，而高CNT含量（20 wt.%）使杨氏模量可调范围达0.8-16 GPa。电学表征显示稳定的应变-电阻响应（GF=1.5），为轻量化传感器纤维的规模化生产提供了重要依据。

　　

1. 引言

纤维增强聚合物复合材料（FRPCs）因其高强度、低密度特性广泛应用于汽车、船舶和建筑领域，但长期机械应力易导致微观损伤。传统无损检测（NDT）无法实现实时监测，而结构健康监测（SHM）系统通过嵌入式压阻传感器网络可解决这一难题。聚丙烯（PP）因其低熔点（160-170°C）和良好加工性成为理想基体，但碳纳米管（CNT）在PP中的分散难题（易团聚）制约了导电网络的形成。本研究创新性地引入聚乙二醇（PEG）作为流动改性剂，系统探究了CNT含量（10-20 wt.%）、PEG分子量（200-200,000 g/mol）和螺杆转速（50-1200 rpm）对单丝性能的影响。

2. 实验方法

2.1 材料制备

采用工业级PP2001母料（含20 wt.%多壁碳纳米管MWCNTs）与纯PP共混，添加PEG-200/4000/200K和CB（1-3 wt.%）。通过双螺杆挤出机在160-250°C熔融共混，经1.5 mm喷丝孔纺丝，螺杆转速梯度设置为50-1200 rpm。

2.2 表征技术

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  形貌分析：光学显微镜（5×）量化纤维直径（n=3）

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  热性能：热重分析（TGA）在N₂/空气氛围下（30-750°C，40 K/min）测定残炭量

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  力学测试：Zwicki Junior拉伸仪（ISO 2062）评估杨氏模量和断裂伸长率

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  电学性能：Keithley DAQ6510-7700万用表测量应变-电阻响应，导电银浆确保电极接触

3. 结果与讨论

3.1 工艺优化

PP/20%CNT基准纺丝压力为98 bar，添加3% PEG-C降至72 bar（降幅26%）。降低CNT含量至10%使压力骤降54%，而螺杆转速对压力无显著影响。高PEG分子量（200K）导致熔体弹性增加，喷丝孔出口膨胀率达1959 μm（对比无PEG样品668 μm）。

3.2 结构与性能关联

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  形貌：20%CNT样品表面粗糙度显著高于10%CNT，PEG-A改善纤维均匀性（直径SD从6.07降至3.80 μm）

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  热稳定性：CB使起始分解温度从406°C（PP/20%CNT）提升至434°C，而PEG-C因塑化作用降至326°C

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  力学性能：PP/20%CNT/1%PEG-C展现最高模量16.59 GPa，比PP/20%CNT（2.31 GPa）提升7倍

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  电学响应：20%CNT样品电阻（30.92 Ω）显著低于10%CNT（249.17 Ω），900 rpm高剪切导致电阻漂移（GF=1.53）

3.3 动态传感性能

循环拉伸测试（0-5%应变）显示：

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  PP/20%CNT具有低滞后性（GF=0.69）和优异重复性

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  PP/10%CNT-900 rpm虽灵敏度高（GF=1.53），但电阻漂移严重

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  PEG-A修饰样品（PP/10%CNT/2%PEG-A）平衡了稳定性（滞后降低）与灵敏度（GF=0.55）

4. 结论

本研究证实通过CNT含量、PEG分子量和工艺参数的协同调控，可制备兼具高模量（16 GPa）和稳定压阻响应（GF=1.5）的PP/CNT单丝。PEG-200K在改善加工性的同时提升CNT分散度，而适度剪切（450 rpm）能优化导电网络。该成果为开发轻量化SHM传感器纤维提供了可规模化的解决方案，未来需进一步研究长期循环稳定性与响应时间特性。